RU2791006C1 - System and method for automated electrocardiogram analysis and interpretation - Google Patents

System and method for automated electrocardiogram analysis and interpretation Download PDF

Info

Publication number
RU2791006C1
RU2791006C1 RU2021138251A RU2021138251A RU2791006C1 RU 2791006 C1 RU2791006 C1 RU 2791006C1 RU 2021138251 A RU2021138251 A RU 2021138251A RU 2021138251 A RU2021138251 A RU 2021138251A RU 2791006 C1 RU2791006 C1 RU 2791006C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ecg signal
ecg
derivatives
smoothed
local
Prior art date
Application number
RU2021138251A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Татьяна Владимировна ПОДЛАДЧИКОВА
Наталья Юрьевна ГЛАЗКОВА
Дарья Кирилловна СТЕПАНОВА
Original Assignee
Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий" filed Critical Автономная некоммерческая образовательная организация высшего образования "Сколковский институт науки и технологий"
Application granted granted Critical
Publication of RU2791006C1 publication Critical patent/RU2791006C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: method for determining the characteristics of an electrocardiogram (ECG) is carried out using a system containing a processing means and an ECG recording device. In this case, an ECG signal is obtained using a recording device. A smoothed ECG signal is obtained by processing means by filtering the noise of the received ECG signal. The first derivatives of the smoothed ECG signal are calculated using the processing means. The characteristics of the ECG are determined using the processing means on the basis of the first derivatives of the smoothed ECG signal. Based on the processing of the distribution of local extrema of the first derivatives of the smoothed ECG signal, a threshold is determined to highlight the range of change of the extrema corresponding to different types of waves. The characteristics of the peaks of the waves of different types are determined based on the selected ranges of extremes and the relative position of the local maxima and minima of the first derivatives of the smoothed ECG signal.
EFFECT: automatic detection of signs of the presence of pathologies in the ECG signal and the critical condition of the patient is provided with high accuracy, noise immunity, reduction of the ECG signal processing time for making decisions in automatic mode, with the possibility of flexible and quick response to changes occurring in the ECG curve during the observation process in the conditions of high variability of the studied signal to build short-term and long-term automated medical prognosis.
9 cl, 7 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к системе и способу автоматизированного выделения морфологии электрокардиографического сигнала, представления сигнала ЭКГ в виде последовательности кардиоциклов, определения характерных зубцов для специализированных устройств мониторинга сердечной активности, а именно для стационарных кардиомониторов, холтеровских ЭКГ-мониторов, носимых устройств регистрации ЭКГ, мобильных устройств.The invention relates to a system and method for automated extraction of the morphology of an electrocardiographic signal, presentation of an ECG signal in the form of a sequence of cardiocycles, determination of characteristic teeth for specialized devices for monitoring cardiac activity, namely for stationary cardiac monitors, Holter ECG monitors, wearable ECG recording devices, mobile devices.

Уровень техникиState of the art

Диагностика сердечно-сосудистой системы человека принадлежит к числу важнейших задач кардиологии. Основные причины смертности людей в трудоспособном возрасте связаны с сердечно-сосудистыми заболеваниями. Этим обусловлена необходимость разработки и совершенствования средств мониторинга для объективного оценивания и прогнозирования состояния сердечно-сосудистой системы. На данный момент электрокардиограмма (ЭКГ) является самым распространенным методом диагностики работы сердечно-сосудистой системы человека. Сигнал ЭКГ несет большой объем информации, и детальный автоматический анализ сигнала ЭКГ позволяет своевременно вырабатывать сигналы тревоги, а также делать прогностические заключения.Diagnosis of the human cardiovascular system is one of the most important tasks of cardiology. The main causes of death among people of working age are related to cardiovascular diseases. This necessitates the development and improvement of monitoring tools for objective assessment and prediction of the state of the cardiovascular system. At the moment, the electrocardiogram (ECG) is the most common method for diagnosing the work of the human cardiovascular system. The ECG signal carries a large amount of information, and the detailed automatic analysis of the ECG signal allows you to generate alarms in a timely manner, as well as make predictive conclusions.

Автоматический анализ электрокардиосигнала представляет собой достаточно сложную теоретическую проблему. Это в первую очередь связано с физиологическим происхождением сигнала, которое обусловливает его недетерминированность, разнообразие, изменчивость, непредсказуемость и подверженность многочисленным видам помех. Одной из основных причин неэффективной диагностики состояния сердца являются интенсивные помехи различного вида - дрейф изолинии, артефакт движения, мышечный тремор и сетевая помеха, которые искажают информацию о состоянии сердца.Automatic analysis of an electrocardiosignal is a rather complex theoretical problem. This is primarily due to the physiological origin of the signal, which determines its indeterminacy, diversity, variability, unpredictability and susceptibility to numerous types of interference. One of the main reasons for the ineffective diagnosis of the state of the heart is intense interference of various types - contour drift, motion artifact, muscle tremor and network interference, which distort information about the state of the heart.

Проблема выделения полезного сигнала на фоне целого комплекса помех и искажений является одной из основных при проведении современных электрокардиологических исследований. Фильтрация помех может внести искажения в кардиограмму и привести к ошибке интерпретации. Наличие артефактов в электрокардиологическом сигнале существенно затрудняет его анализ и выявление диагностических признаков. При решении данной задачи сложность заключается в выборе методов фильтрации для устранения определенного типа артефактов. Поэтому важна не только внутренняя фильтрация, невидимая для пользователя, при которой в некоторой степени искажается полезный сигнал. Большое значение имеет также удаление шума из сигнала, получаемого из устройства регистрации, поскольку именно по нему будет ставиться диагноз.The problem of isolating a useful signal against the background of a whole complex of interference and distortion is one of the main problems in modern electrocardiological studies. Noise filtering can distort the ECG and lead to interpretation errors. The presence of artifacts in the electrocardiological signal significantly complicates its analysis and identification of diagnostic features. When solving this problem, the complexity lies in the choice of filtering methods to eliminate a certain type of artifacts. Therefore, not only internal filtering is important, invisible to the user, in which the useful signal is distorted to some extent. The removal of noise from the signal received from the recording device is also of great importance, since it is on this basis that the diagnosis will be made.

На данный момент существует несколько разработок, направленных на выделение характеристик кривой электрокардиограммы и последующую интерпретацию электрокардиограммы.At the moment, there are several developments aimed at highlighting the characteristics of the electrocardiogram curve and the subsequent interpretation of the electrocardiogram.

В патентной публикации US 2013/0190638A1, Motion and nose artifact detection for ECG data, раскрыт способ, направленный на преодоление основных недостатков популярных методов фильтрации ЭКГ сигналов, связанных с необходимостью построения моделей, определением порогов и оптимальных параметров. Способ основан на отделении чистых частей ЭКГ сигнала от артефактов движения и шума, предотвращает искажение расположения пиков зубца R и, используя выделенные после отделения артефактов интервалы R-R, выполняет анализ на наличие мерцательной аритмии. Patent publication US 2013/0190638A1, Motion and nose artifact detection for ECG data, discloses a method aimed at overcoming the main shortcomings of popular ECG signal filtering methods associated with the need to build models, determine thresholds and optimal parameters. The method is based on separating pure parts of the ECG signal from motion and noise artifacts, prevents distortion of the location of the R wave peaks, and, using the R-R intervals selected after artifact separation, performs an analysis for the presence of atrial fibrillation.

Для обнаружения в реальном времени артефактов движения и шума используется метод эмпирической модовой декомпозиции (EMD), в котором ЭКГ сигнал раскладывается на сумму модовых функций (IMF). Каждая последующая IMF имеет более низкую частоту, чем предыдущая. Таким образом, артефакты могут быть изолированы, так как они в основном сосредоточены на высокой частоте. На следующем этапе используются статистические показатели, включающие энтропию Шеннона, для характеристики случайности, среднее значение модовых функций и среднеквадратичное значение последовательности R-R разностей. На основе сравнения этих трех показателей с заданными порогами принимается решение, содержит ли сигнал ЭКГ артефакты или нет. Empirical Mode Decomposition (EMD), which decomposes the ECG signal into a sum of mode functions (IMF), is used to detect motion artifacts and noise in real time. Each subsequent IMF has a lower frequency than the previous one. This way artifacts can be isolated as they are mostly concentrated at high frequency. The next step uses statistics that include Shannon's entropy to characterize randomness, the mean of the mode functions, and the rms value of the R-R sequence of differences. Based on the comparison of these three indicators with the given thresholds, a decision is made whether the ECG signal contains artifacts or not.

Один из существенных недостатков EMD, снижающее качество декомпозиции – это частое появление смешивания модовых функций, что затрудняет частотное разделение и снижает его качество (Wu Z., and N.E. Huang (2009), Podladchikova T., R.A.M. Van der Linden, and A.M. Veronig (2017), Ensemble empirical mode decomposition: a noise-assisted data analysis method, Advances in Adaptive Data Analysis, Vol. 01, No. 01, pp. 1-41, doi.org/10.1142/S1793536909000047). Составляющие многокомпонентного сигнала при определенном влиянии дестабилизирующих факторов (шумов, импульсных помех и т. п.) и близких по частоте соседних компонент могут при декомпозиции «перетекать» на отдельных временных интервалах в модовые функции соседних IMF. Кроме того, для обеспечения надежной работы этих алгоритмов необходима подстройка порогов обнаружении артефактов в ЭКГ сигнале для каждого пациента, что снижает устойчивость метода к помехам и изменчивости ЭКГ. One of the significant disadvantages of EMD, which reduces the quality of decomposition, is the frequent occurrence of mixing of mode functions, which makes frequency separation difficult and reduces its quality (Wu Z., and N.E. Huang (2009), Podladchikova T., R.A.M. Van der Linden, and A.M. Veronig ( 2017), Ensemble empirical mode decomposition: a noise-assisted data analysis method, Advances in Adaptive Data Analysis, Vol. 01, No. 01, pp. 1-41, doi.org/10.1142/S1793536909000047). The components of a multicomponent signal, under a certain influence of destabilizing factors (noise, impulse noise, etc.) and neighboring components with similar frequencies, can “flow” at separate time intervals during decomposition into the mode functions of neighboring IMFs. In addition, to ensure the reliable operation of these algorithms, it is necessary to adjust the thresholds for detecting artifacts in the ECG signal for each patient, which reduces the resistance of the method to noise and ECG variability.

В патентной публикации US 2017/0112401 A1, Automatic method to delineate or categorize an electrocardiogram, раскрыт cпособ делинеации и классификации сигнала ЭКГ, основанный на сверточной нейронной сети. Этот способ расширил возможности нейронных сетей для интерпретации ЭКГ, представляющих не одну, а больше аномалий. Способ позволяет определить время начала и конца каждой волны – это участки между характерными точками: основания волны Р, комплекса QRS, волны Т. Нейронная сеть отображает список найденных аномалий в виде вектора баллов за аномалии, превысившие предопределенный порог. US Patent Publication 2017/0112401 A1, Automatic method to delineate or categorize an electrocardiogram, discloses an ECG signal delineation and classification method based on a convolutional neural network. This method expanded the capabilities of neural networks for interpreting ECGs representing not one, but more anomalies. The method allows you to determine the start and end times of each wave - these are the sections between the characteristic points: the base of the P wave, the QRS complex, the T wave. The neural network displays the list of found anomalies as a vector of scores for anomalies that have exceeded a predetermined threshold.

Недостатками сверточных нейронных сетей является большое количество варьируемых параметров сети. К варьируемым параметрам можно отнести: количество слоёв, размерность ядра свёртки для каждого из слоёв, количество ядер для каждого из слоёв, шаг сдвига ядра при обработке слоя, функция активации, параметр для выделения аномалий и др. Все эти параметры существенно влияют на результат, но выбираются эмпирически. Большое значение имеет также набор обучающих данных. Кроме того, возникают трудности с точностью определения временных характерных сегментов. Потеря точности приводит систематически к частичному смешиванию комплекса QRS с волной T, стирая на временной шкале сегмент ST. К ограничениям этого способа следует отнести также то, что он не включает оценку амплитуд зубцов (вольтаж ЭКГ), характеризующих возбудимость определенных участков миокарда и не предназначен для определения основного интервала R-R, по колебаниям продолжительности которых судят о правильности ритма сердечной деятельности. The disadvantages of convolutional neural networks is a large number of variable network parameters. Variable parameters include: the number of layers, the dimension of the convolution kernel for each of the layers, the number of kernels for each of the layers, the kernel shift step when processing the layer, the activation function, the parameter for highlighting anomalies, etc. All these parameters significantly affect the result, but chosen empirically. The set of training data is also of great importance. In addition, there are difficulties with the accuracy of determining the time characteristic segments. Loss of precision results in systematic partial mixing of the QRS complex with the T wave, erasing the ST segment on the timeline. The limitations of this method should also include the fact that it does not include an assessment of the amplitudes of the waves (ECG voltage) characterizing the excitability of certain areas of the myocardium and is not intended to determine the main R-R interval, the fluctuations in the duration of which are used to judge the correctness of the rhythm of cardiac activity.

Для уточнения положения комплекса QRS может быть использована производная сигнала (см. патентную публикацию EP 2 676 604 A1, 2013, Real time QRS duration measurement in electrocardiogram). Способ предполагает извлечение части сигнала ЭКГ вокруг пика QRS, основываясь на общей продолжительности шаблона кардиоцикла и нормальной продолжительности QRS. После низкочастотной интерполяции (фильтрации) извлеченный сигнал нормируется таким образом, что его максимум (соответствующий зубцу R) равен единице. Нормированный сигнал фильтруется путем возведения в степень N и дифференцируется. Формируются два уравнения прямых с использованием точек максимума и минимума сигнала производной и зубца R. Точки пересечения этих прямых с базовой линией приближенно определяют границы комплекса QRS, т.е. точки Q и S. Недостатком является высокая чувствительность алгоритма к смещению базовой линии и снижение точности определения характерных точек Q и S из-за дрейфа базовой линии. To clarify the position of the QRS complex, the derivative of the signal can be used (see patent publication EP 2 676 604 A1, 2013, Real time QRS duration measurement in electrocardiogram). The method involves extracting a portion of the ECG signal around the QRS peak based on the total duration of the cardiocycle pattern and the normal duration of the QRS. After low-frequency interpolation (filtering), the extracted signal is normalized in such a way that its maximum (corresponding to the R wave) is equal to one. The normalized signal is filtered by raising to the N power and differentiated. Two equations of straight lines are formed using the maximum and minimum points of the derivative signal and the R wave. The points of intersection of these straight lines with the baseline approximately determine the boundaries of the QRS complex, i.e. points Q and S. The disadvantage is the high sensitivity of the algorithm to the baseline shift and the decrease in the accuracy of determining the characteristic points Q and S due to baseline drift.

Применение способа к оценке продолжительности QRS приведет к сбою, если амплитуда зубца R оказывается ниже, чем амплитуда зубца Т, или если в сигнале ЭКГ проявляется патология V, признак мономорфной желудочной тахикардии. Данный способ не предусматривает выделение основного электрографического признака проявления мерцательной аритмии зубца P и зубца T, отображающего фазу восстановления мышечной ткани сердечных желудочков между сокращениями миокарда.Application of the method to estimation of QRS duration will fail if the R wave amplitude is lower than the T wave amplitude, or if the ECG signal exhibits V pathology, a sign of monomorphic gastric tachycardia. This method does not provide for the selection of the main electrographic sign of the manifestation of atrial fibrillation of the P wave and the T wave, which reflects the recovery phase of the muscular tissue of the heart ventricles between myocardial contractions.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the essence of the invention

Предлагается способ представления сигнала ЭКГ в виде последовательности кардиоциклов, автоматического выделения последовательности R-R интервалов для выявления возможного нарушения ритма сердца, разнородности сокращений по силе и частоте. В частности, представлены способы диагностики и анализа заболеваний сердца и состояний, таких как мерцательная аритмия, путем определения наличия или отсутствия основного электрографического признака проявления мерцательной аритмии зубца Р и выделения мономорфной желудочной тахикардии (патологии V), когда наблюдается преждевременное сокращение желудочков. A method is proposed for presenting an ECG signal as a sequence of cardiocycles, automatic selection of a sequence of R-R intervals to identify possible heart rhythm disturbances, heterogeneity of contractions in strength and frequency. In particular, methods for diagnosing and analyzing heart diseases and conditions such as atrial fibrillation are presented by determining the presence or absence of the main electrographic sign of the manifestation of atrial fibrillation of the P wave and the isolation of monomorphic gastric tachycardia (V pathology) when premature ventricular contraction is observed.

Способы обнаружения нарушения ритма сердца включают в себя удаление шума из ЭКГ сигнала, получаемого из устройства регистрации. После получения ЭКГ-сигнала с помощью устройства регистрации электрокардиограммы выполняется его сглаживание. Сглаживание отличается тем, что не искажает динамику ЭКГ-сигнала, так как не требует предварительных предположений о его динамике, которые обычно в той или иной степени могут привести к заметным временным и амплитудным искажениям характерных точек сигнала ЭКГ. При этом удается сохранить всю информацию об исходном сигнале и одновременно отфильтровать от шумов, скачкообразных (ступенчатых) изменений, которые не содержат полезный сигнал. Methods for detecting a heart rhythm disorder include removing noise from an ECG signal received from a recording device. After receiving the ECG signal using the electrocardiogram recording device, it is smoothed. Smoothing differs in that it does not distort the dynamics of the ECG signal, since it does not require preliminary assumptions about its dynamics, which usually, to one degree or another, can lead to noticeable temporal and amplitude distortions of the characteristic points of the ECG signal. In this case, it is possible to save all the information about the original signal and at the same time filter out noise, stepwise (step) changes that do not contain a useful signal.

Высокая помехоустойчивость метода фильтрации позволяет без риска искажения шумами использовать первые и вторые производные сглаженного (отфильтрованного) сигнала для делинеации сигнала ЭКГ и выделения зубцов R, T и P. Эффект усиления шума при вычислении производных при использовании данного метода фильтрации нейтрализуется. The high noise immunity of the filtering method allows using the first and second derivatives of the smoothed (filtered) signal to delineate the ECG signal and highlight the R, T and P waves without the risk of noise distortion. The effect of noise amplification when calculating derivatives when using this filtering method is neutralized.

Характерные зубцы R, T и Р сигнала ЭКГ определяются путем применения несложных логических правил по отношению к первой и второй производным, в качестве оценки которых используются первые и вторые разности отсчетов сглаженного ЭКГ сигнала. Первые производные исключают ошибки из-за смещения базовой линии сигнала ЭКГ и приближаются к стационарному процессу. Использование первых производных для нахождения зубцов R, T и Р устраняет также основные недостатки метода выделения локальных экстремумов при анализе формы электрокардиограммы, а именно необходимость задания порога чувствительности и пропуск зубцов на наклонных участках сигнала. The characteristic R, T and P waves of the ECG signal are determined by applying simple logical rules with respect to the first and second derivatives, which are estimated using the first and second differences in the readings of the smoothed ECG signal. The first derivatives eliminate errors due to the shift in the baseline of the ECG signal and approach a stationary process. The use of the first derivatives for finding the R, T, and P waves also eliminates the main disadvantages of the method for detecting local extrema when analyzing the shape of an electrocardiogram, namely, the need to set a sensitivity threshold and skip teeth on inclined signal sections.

Далее формируется гистограмма распределения всех локальных максимумов и минимумов первых производных, которая позволяет автоматически определить диапазоны изменения экстремумов, соответствующих зубцам R, T и P, и выделить максимумы и минимумы первых производных для этих зубцов. Автоматический анализ гистограмм распределения локальных минимумов и максимумов первых производных позволяет быстро автоматически детектировать признаки наличия большого количества патологий в сигнале ЭКГ и критического состояния пациента, существенно минимизируя время обработки ЭКГ сигнала для принятия решений в автоматическом режиме. Next, a histogram of the distribution of all local maxima and minima of the first derivatives is formed, which allows you to automatically determine the ranges of variation of the extrema corresponding to the R, T and P teeth, and highlight the maxima and minima of the first derivatives for these teeth. Automatic analysis of the distribution histograms of local minima and maxima of the first derivatives allows you to quickly automatically detect signs of a large number of pathologies in the ECG signal and the critical condition of the patient, significantly minimizing the processing time of the ECG signal for making decisions in automatic mode.

Для обеспечения эффективности и гарантии принятия правильного решения в автоматическом режиме дополнительно анализируется взаимное расположение локальных экстремумов вторых производных сглаженного сигнала ЭКГ. To ensure efficiency and ensure that the correct decision is made in automatic mode, the relative position of the local extrema of the second derivatives of the smoothed ECG signal is additionally analyzed.

Критерии изменения взаимного расположения локальных максимумов и минимумов первых и вторых производных применяется для отделения в автоматическом режиме R-зубца от патологии V, когда наблюдается преждевременное сокращение желудочков. Количество ошибочных решений варьируется от 3 до 30% в зависимости от сложности сигнала ЭКГ. The criteria for changing the relative position of the local maxima and minima of the first and second derivatives is used to automatically separate the R-wave from the V pathology when premature ventricular contraction is observed. The number of erroneous decisions varies from 3 to 30% depending on the complexity of the ECG signal.

Точность детектирования сигнала ЭКГ на основе предлагаемого подхода варьируется от 95% до 99,9% в зависимости от сложности исходного сигнала ЭКГ. Ограничением данного подхода являются ситуации, когда одна и та же форма сигнала ЭКГ интерпретируется специалистом по-разному в зависимости от дополнительных признаков сигнала ЭКГ, а также других отведений. Также существует ряд неопознанных сигналов, которые интерпретируются индивидуально The accuracy of ECG signal detection based on the proposed approach varies from 95% to 99.9% depending on the complexity of the original ECG signal. The limitation of this approach is situations when the same form of the ECG signal is interpreted by a specialist in different ways depending on the additional features of the ECG signal, as well as other leads. There are also a number of unidentified signals that are interpreted individually

Важным преимуществом предлагаемого способа является способность гибкого и быстрого реагирования на изменения, происходящие в ЭКГ кривой в процессе наблюдения, что является необходимым требованием для обработки ЭКГ сигнала в автоматическом режиме. Данные методы лежат в основе описываемого способа анализа сигнала ЭКГ, обладающего надежностью, гибкостью и простотой реализации. An important advantage of the proposed method is the ability to respond flexibly and quickly to changes occurring in the ECG curve during the observation process, which is a necessary requirement for automatic ECG signal processing. These methods underlie the described ECG signal analysis method, which is reliable, flexible, and easy to implement.

В одном варианте осуществления системы автоматизированного определения характеристик электрокардиограммы устройство регистрации электрокардиограммы представляет собой стационарный кардиомонитор, холтеровский ЭКГ-монитор, носимое устройство регистрации ЭКГ или мобильное устройство с функцией регистрации ЭКГ.In one embodiment of an automated electrocardiogram characterization system, the electrocardiogram recording device is a stationary cardiac monitor, a Holter ECG monitor, a wearable ECG recording device, or a mobile device with an ECG recording function.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Фиг. 1 – Блок-схема алгоритма автоматического анализа сигнала ЭКГ;Fig. 1 - Block diagram of the algorithm for automatic analysis of the ECG signal;

Фиг. 2 – Фрагмент записи 111 сигнала ЭКГ, полученного посредством электрокардиографа из базы данных MIT-BIH Arrhythmia, и соответствующего сглаженного сигнала ЭКГ;Fig. 2 - Fragment of the record 111 of the ECG signal obtained by means of an electrocardiograph from the MIT-BIH Arrhythmia database, and the corresponding smoothed ECG signal;

Фиг. 3 – Фрагмент записи 111 сигнала ЭКГ, полученного посредством электрокардиографа из базы данных MIT-BIH Arrhythmia, и соответствующих первых разностей сглаженного сигнала ЭКГ;Fig. 3 - Fragment of recording 111 of the ECG signal obtained by means of an electrocardiograph from the MIT-BIH Arrhythmia database, and the corresponding first differences of the smoothed ECG signal;

Фиг. 4 – Гистограммы распределения локальных максимумов и минимумов первых разностей и сглаженных значений гистограмм для записи 111 (а, б) и записи 203 (в, г) из базы данных MIT-BIH Arrhythmia; Fig. 4 – Histograms of the distribution of local maxima and minima of the first differences and smoothed values of the histograms for record 111 (a, b) and record 203 (c, d) from the MIT-BIH Arrhythmia database;

Фиг. 5 – Первые (а) и вторые производные (б), а также сумма вторых производных сглаженного сигнала ЭКГ (в) для фрагмента сигнала ЭКГ с отмеченным R-зубцом.Fig. 5 - First (a) and second derivatives (b), as well as the sum of the second derivatives of the smoothed ECG signal (c) for the fragment of the ECG signal with a marked R-wave.

Фиг. 6 – Первые (а) и вторые (б) производные, а также сумма вторых производных сглаженного сигнала ЭКГ (в) для фрагмента сигнала ЭКГ с отмеченной патологией V.Fig. 6 – First (a) and second (b) derivatives, as well as the sum of the second derivatives of the smoothed ECG signal (c) for a fragment of the ECG signal with marked pathology V.

Фиг. 7 – Первые производные для фрагмента сигнала ЭКГ с отмеченными зубцами R, T и P. Fig. 7 - First derivatives for the fragment of the ECG signal with marked R, T and P waves.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Алгоритм автоматического анализа сигнала ЭКГ состоит из ряда шагов, приведенных на блок-схеме (фиг. 1). Далее осуществление изобретение раскрывается в деталях.The algorithm for automatic analysis of the ECG signal consists of a series of steps shown in the block diagram (Fig. 1). Further implementation of the invention is disclosed in detail.

1. Сглаживание ЭКГ сигнала1. ECG signal smoothing

Основным препятствием автоматизированного анализа ЭКГ является множество помех, а также высокая зашумленность сигнала, характерная для носимой электроники. В основе предлагаемого подхода к автоматизированному анализу ЭКГ лежит нахождение локальных экстремумов амплитуды на основе выделения локальных экстремумов первых и вторых производных сигнала ЭКГ. С одной стороны, после взятия производных исходный нестационарный сигнал приближается к стационарному, что повышает надежность выделения его локальных экстремумов. Однако первые и тем более вторые производные усиливают помехи сигнала ЭКГ, получаемого, как и со стационарных электрокардиографов, ЭКГ-холтеров, так и с мобильных устройств. Поэтому необходимо тщательно отфильтровывать исходный сигнал, чтобы нейтрализовать эффект усиления шумов при взятии производных и при этом не внести динамические искажения в полезный сигнал. В работе Podladchikova T., R.A.M. Van der Linden, and A.M. Veronig (2017), Sunspot number second differences as precursor of the following 11-year sunspot cycle, The Astrophysical Journal, 850, 81, doi.org/10.3847/1538-4357/aa93ef был предложен эффективный метод фильтрации шумов, основан на балансе гладкости и близости кривой сглаженных значений к исходной кривой. Данный метод не требует предварительных допущений и предположений о динамике процесса и позволяет воспроизвести исходные экспериментальные закономерности независимо от допущений о модели процесса, тем самым минимизируя риск искажения важных особенностей процесса, стирания важных мелких деталей и выводов, что имеет большое практическое значение для построения автоматизированной обработки ЭКГ кривой в условиях высокой зашумлённости ЭКГ сигнала, полученного с носимых устройств, мобильных устройств, ЭКГ-холтеров, стационарных кардиографов. The main obstacle to automated ECG analysis is a lot of interference, as well as high signal noise, typical for wearable electronics. The proposed approach to automated ECG analysis is based on finding local amplitude extrema based on the selection of local extrema of the first and second derivatives of the ECG signal. On the one hand, after taking the derivatives, the original non-stationary signal approaches the stationary one, which increases the reliability of identifying its local extrema. However, the first and even more so the second derivatives amplify the interference of the ECG signal received, both from stationary electrocardiographs, ECG holters, and from mobile devices. Therefore, it is necessary to carefully filter the original signal in order to neutralize the effect of noise amplification when taking derivatives and, at the same time, not introduce dynamic distortions into the useful signal. In the work of Podladchikova T., R.A.M. Van der Linden, and A.M. Veronig (2017), Sunspot number second differences as precursor of the following 11-year sunspot cycle, The Astrophysical Journal, 850, 81, doi.org/10.3847/1538-4357/aa93ef an efficient noise filtering method based on smoothness balance was proposed and proximity of the curve of smoothed values to the original curve. This method does not require preliminary assumptions and assumptions about the dynamics of the process and allows you to reproduce the original experimental patterns regardless of the assumptions about the process model, thereby minimizing the risk of distorting important features of the process, erasing important small details and conclusions, which is of great practical importance for building automated ECG processing. curve in conditions of high noise ECG signal received from wearable devices, mobile devices, ECG-holters, stationary cardiographs.

Для того, чтобы выделенный полезный сигнал был максимально близок к полученному ЭКГ сигналу, но в то же время был нечувствителен к случайным отклонениям и флуктуациям измеряемого сигнала, предлагается искать сглаженные значения, оптимальные по критерию, включающему требования гладкости искомой кривой и ее близости к экспериментальной ЭКГ кривой. Уровень доверия к полученному сигналу ЭКГ достигается требованием близости сглаженной кривой к исходным данным на основе минимизации суммы квадратов отклонений. Уровень гладкости сглаженной кривой достигается на основе минимизации вторых производных исходного ЭКГ сигнала.In order for the selected useful signal to be as close as possible to the received ECG signal, but at the same time to be insensitive to random deviations and fluctuations of the measured signal, it is proposed to look for smoothed values that are optimal according to a criterion that includes the requirements for the smoothness of the desired curve and its proximity to the experimental ECG crooked. The level of confidence in the received ECG signal is achieved by requiring the smoothed curve to be close to the original data based on minimizing the sum of squared deviations. The level of smoothness of the smoothed curve is achieved by minimizing the second derivatives of the original ECG signal.

Таким образом, сглаженная оценка

Figure 00000001
сигнала ЭКГ zi находится из минимизации функционала J.Thus, the smoothed estimate
Figure 00000001
ECG signal z i is found from the minimization of the functional J.

Figure 00000002
(1)
Figure 00000002
(1)

Здесь β – коэффициент сглаживания, который определяет близость сглаженного сигнала ЭКГ к исходной ЭКГ кривой. С ростом β сглаженный сигнал приближается к исходной ЭКГ кривой, однако при этом уменьшается степень сглаживания. С уменьшением β степень сглаживания увеличивается, однако отклонение от исходной кривой ЭКГ увеличивается. Член

Figure 00000003
характеризует индикатор отклонения, который отвечает за близость сглаженных оценок
Figure 00000004
к исходному сигналу ЭКГ zi. Член
Figure 00000005
показывает индикатор вариабельности, отвечающий за гладкость сглаженной кривой
Figure 00000006
.Here β is the smoothing coefficient, which determines the proximity of the smoothed ECG signal to the original ECG curve. As β increases, the smoothed signal approaches the original ECG curve, but the degree of smoothing decreases. As β decreases, the degree of smoothing increases, but the deviation from the original ECG curve increases. Member
Figure 00000003
characterizes the deviation indicator, which is responsible for the proximity of the smoothed estimates
Figure 00000004
to the original ECG signal z i . Member
Figure 00000005
shows the indicator of variability, which is responsible for the smoothness of the smoothed curve
Figure 00000006
.

Оценка сглаженного сигнала ЭКГ сводится к решению следующей системы уравнений:Evaluation of the smoothed ECG signal is reduced to solving the following system of equations:

Figure 00000007
(2)
Figure 00000007
(2)

Где А =

Figure 00000008
Where A =
Figure 00000008

Данный подход к фильтрации помех и оптимизации алгоритма сглаживания не требует предварительных допущений и предположений, часто основанных на субъективных представлениях разработчиков об исследуемом процессе ЭКГ сигнала, которые могут привести к ложным выводам.This approach to filtering noise and optimizing the smoothing algorithm does not require preliminary assumptions and assumptions, often based on the subjective ideas of developers about the ECG signal process under study, which can lead to false conclusions.

На фиг. 2 представлен фрагмент сигнала ЭКГ, полученного посредством электрокардиографа из базы данных MIT-BIH Arrhythmia, запись 111 (пунктирная кривая). Сплошная линия показывает сглаженный сигнал ЭКГ, полученный на основе уравнения (2).In FIG. 2 shows a fragment of the ECG signal obtained by means of an electrocardiograph from the MIT-BIH Arrhythmia database, entry 111 (dashed curve). The solid line shows the smoothed ECG signal obtained from Equation (2).

Эффективная фильтрация шумов без искажения истинной динамики ЭКГ сигнала позволяет оценить с высокой точностью первые и вторые конечные разности ЭКГ кривой, которые по своей природе усиливают шумовую компоненту в данных. Efficient noise filtering without distorting the true dynamics of the ECG signal makes it possible to estimate with high accuracy the first and second end differences of the ECG waveform, which by their nature amplify the noise component in the data.

На фиг. 3 показаны первые производные сигнала ЭКГ (сплошная кривая), полученные на основе сглаженной кривой ЭКГ, которые характеризуют скорость изменения сигнала ЭКГ. Соответствующий исходный сигнал ЭКГ показан пунктирной кривой. Как видно из фиг. 3, исходный сигнал ЭКГ (пунктирная кривая) представляет собой нестационарный процесс, в то время как первые производные сглаженного сигнала ЭКГ приближаются к квазистационарному процессу. В то время как сигнал ЭКГ между RR интервалами на пунктирной кривой характеризуется сильными вариациями и сдвигами, динамика первых производных сглаженного сигнала ЭКГ (сплошная кривая) изменяется вокруг постоянного уровня. Исключение амплитудного тренда сглаженного сигнала ЭКГ уменьшает в 5 раз и более разброс локальных максимумов сплошной кривой, соответствующих зубцам R, T и P по сравнению с пунктирной.In FIG. 3 shows the first derivatives of the ECG signal (solid curve) obtained from the smoothed ECG curve, which characterize the rate of change of the ECG signal. The corresponding original ECG signal is shown by the dotted curve. As can be seen from FIG. 3, the original ECG signal (dashed curve) is a non-stationary process, while the first derivatives of the smoothed ECG signal approach a quasi-stationary process. While the ECG signal between RR intervals on the dotted curve is characterized by strong variations and shifts, the dynamics of the first derivatives of the smoothed ECG signal (solid curve) changes around a constant level. Eliminating the amplitude trend of the smoothed ECG signal reduces the spread of local maxima of the solid curve corresponding to the R, T, and P waves by a factor of 5 or more compared to the dotted one.

Как правило, сигнал ЭКГ, получаемый с носимых мобильных устройств, характеризуется гораздо большей степенью шума и разброса данных. Тем не менее, даже в условиях большой зашумленности, надежные оценки первых разностей процесса, полученные на основе эффективного подавления шумов исходного ЭКГ сигнала, характеризуют скорость изменения ЭКГ сигнала и представляют квазистационарный процесс, анализ которого существенно упрощает анализ ЭКГ кривой, выделение устойчивых закономерностей и выявление патологий в автоматическом режиме.As a rule, the ECG signal received from wearable mobile devices is characterized by a much greater degree of noise and data scatter. Nevertheless, even under conditions of high noise, reliable estimates of the first differences of the process, obtained on the basis of effective noise suppression of the original ECG signal, characterize the rate of change of the ECG signal and represent a quasi-stationary process, the analysis of which greatly simplifies the analysis of the ECG curve, the identification of stable patterns and the detection of pathologies. in automatic mode.

2. Гистограмма распределения локальных экстремумов2. Histogram of the distribution of local extrema

Как видно из фиг. 3 наибольшие значения локальных минимумов и максимумов производных сглаженного сигнала ЭКГ наблюдаются в окрестности R-зубца. Для R-зубца характерны быстрый рост и быстрое падение первых производных сигнала ЭКГ. Быстрый рост сигнала ЭКГ к вершине R-зубца характеризуется большим положительным локальным максимумом первых производных. Падение, последующее за вершиной R-зубца, характеризуется большим отрицательным локальным минимумом первых производных. Для автоматического выделения больших локальных максимумов и минимумов первых производных предлагается анализировать гистограмму распределения всех локальных максимумов и минимумов первых производных ЭКГ кривой. As can be seen from FIG. 3, the largest values of local minima and maxima of the derivatives of the smoothed ECG signal are observed in the vicinity of the R-wave. The R-wave is characterized by a rapid rise and a rapid fall in the first derivatives of the ECG signal. The rapid growth of the ECG signal to the top of the R-wave is characterized by a large positive local maximum of the first derivatives. The drop following the top of the R-tooth is characterized by a large negative local minimum of the first derivatives. To automatically identify large local maxima and minima of the first derivatives, it is proposed to analyze the histogram of the distribution of all local maxima and minima of the first derivatives of the ECG curve.

На фиг. 4a и 4в представлена гистограмма распределения локальных минимумов первых производных сглаженного сигнала ЭКГ для записи 111 и 203 (MIT-BIH Arrhythmia Database). Ось X отражает абсолютные значения локальных минимумов первых производных, а ось Y – частоту наблюдения локальных минимумов разной величины. In FIG. 4a and 4c show a histogram of the distribution of local minima of the first derivatives of the smoothed ECG signal for records 111 and 203 (MIT-BIH Arrhythmia Database). The X axis reflects the absolute values of the local minima of the first derivatives, and the Y axis reflects the frequency of observing local minima of different magnitudes.

На фиг. 4а возвышение, отмеченное стрелкой, характеризует окрестность вершин R-зубцов, отличающихся наибольшими отрицательными локальными минимумами первых производных. Для автоматического определения диапазона локальных минимумов, соответствующим R-зубцам значения гистограммы распределения сглаживаются дополнительно на основе уравнения (2), и результаты приведены на фиг. 4б (запись 111) и фиг. 4г (запись 203). На фиг. 4б локальный минимум сглаженной гистограммы, расположенный между ее последним локальным максимумом, на который направлена стрелка, и предыдущим (вторым с конца), автоматически указывает порог, который превышают все абсолютные значения локальных минимумов первых производных, соответствующих зубцам R. Аналогичным образом автоматически определяется диапазон вариаций локальных максимумов первых производных, соответствующих R-зубцам. Участки роста и падения скорости изменения ЭКГ сигнала, более медленного по сравнению с зубцом R, характерны также и для других зубцов, например, T-зубца. Локальный максимум (второй с конца) отражает значения локальных минимумов первых производных, соответствующих, в основном, окрестности Т-зубца. Чтобы отделить однозначно большие локальные максимумы и минимумы первых производных, соответствующих окрестности R-зубца, на основе значения оцененного порога вводится нормировочный коэффициент. In FIG. 4a, the elevation marked with an arrow characterizes the neighborhood of the tops of the R-teeth, which differ in the largest negative local minima of the first derivatives. To automatically determine the range of local minima corresponding to the R-teeth, the distribution histogram values are further smoothed based on Equation (2), and the results are shown in FIG. 4b (entry 111) and FIG. 4d (entry 203). In FIG. 4b, the local minimum of the smoothed histogram, located between its last local maximum, to which the arrow is directed, and the previous one (second from the end), automatically indicates the threshold that exceeds all absolute values of the local minima of the first derivatives corresponding to the R waves. Similarly, the range of variations is automatically determined local maxima of the first derivatives corresponding to R-teeth. Areas of growth and fall in the rate of change of the ECG signal, slower than the R wave, are also characteristic of other teeth, for example, the T wave. The local maximum (second from the end) reflects the values of the local minima of the first derivatives, corresponding mainly to the vicinity of the T-tooth. To separate uniquely large local maxima and minima of the first derivatives corresponding to the vicinity of the R-tooth, a normalization coefficient is introduced based on the value of the estimated threshold.

Как видно из фиг. 4б (запись 111), сглаженные значения гистограммы имеют как минимум три выраженных локальных максимума. Сигнал ЭКГ (запись 203) характеризуется большим количеством патологий и представляет сложность даже для визуального диагностирования врачами. В то же время фиг. 4г (запись 203) характеризуется всего двумя локальными максимумами, что автоматически подтверждает наличие большое количество патологий в сигнале ЭКГ. Автоматический анализ гистограмм распределения локальных минимумов и максимумов первых производных открывает возможность быстрого автоматического детектирования признаков большого количества патологий в сигнале ЭКГ и критического состояния пациента, существенно минимизируя время обработки ЭКГ сигнала для принятия решений в автоматическом режиме.As can be seen from FIG. 4b (record 111), the smoothed values of the histogram have at least three pronounced local maxima. The ECG signal (record 203) is characterized by a large number of pathologies and is difficult even for visual diagnosis by doctors. At the same time, FIG. 4d (record 203) is characterized by only two local maxima, which automatically confirms the presence of a large number of pathologies in the ECG signal. Automatic analysis of histograms of the distribution of local minima and maxima of the first derivatives opens up the possibility of rapid automatic detection of signs of a large number of pathologies in the ECG signal and the critical condition of the patient, significantly minimizing the processing time of the ECG signal for making decisions in automatic mode.

3. Определение временных и амплитудных параметров вершин зубцов R3. Determination of the time and amplitude parameters of the tops of the R waves

На фиг. 5a приведен фрагмент сигнала ЭКГ для записи 111 (сплошная кривая) и первые производные сглаженного сигнала ЭКГ (пунктирная кривая). Локальный максимум и минимум первых производных, определенные автоматически на основе анализа гистограммы их распределения, отмечены маркером и цифрами 1 и 2 соответственно. Вершина R-зубца всегда будет находиться между локальным максимумом (1) и минимумом (2) первых производных сглаженного сигнала ЭКГ, при этом максимум (1) всегда находится левее минимума (2) первых производных, что открывает возможность его быстрого автоматического детектирования. In FIG. 5a shows a fragment of the ECG signal for record 111 (solid curve) and the first derivatives of the smoothed ECG signal (dotted curve). The local maximum and minimum of the first derivatives, determined automatically based on the analysis of the histogram of their distribution, are marked with a marker and the numbers 1 and 2, respectively. The top of the R-wave will always be between the local maximum (1) and minimum (2) of the first derivatives of the smoothed ECG signal, while the maximum (1) is always to the left of the minimum (2) of the first derivatives, which opens up the possibility of its fast automatic detection.

Для обеспечения гарантированного результата в автоматическом режиме, дополнительно анализируются вторые производные сглаженного сигнала ЭКГ (фиг. 5б, пунктирная кривая). Данные дополнения требуются в основном или при патологии, или для устранения эффектов остатков шума. Большой отрицательный локальный минимум вторых производных (маркер 2) отражает резкое падение скорости изменения сигнала ЭКГ в окрестности R-зубца. To ensure a guaranteed result in automatic mode, the second derivatives of the smoothed ECG signal are additionally analyzed (Fig. 5b, dashed curve). These supplements are required mainly either for pathology or to eliminate the effects of residual noise. A large negative local minimum of the second derivatives (marker 2) reflects a sharp drop in the rate of change of the ECG signal in the vicinity of the R-wave.

Большой положительный локальный максимум вторых производных (маркер 1) демонстрирует рост скорости изменения сигнала ЭКГ, последующий за R-зубцом. Для гарантии выделения R-зубца, требуется, чтобы локальный минимум (2) всегда находился левее локального максимума вторых производных (1). A large positive local maximum of the second derivatives (marker 1) demonstrates an increase in the rate of change of the ECG signal following the R-wave. To ensure that the R-wave is selected, it is required that the local minimum (2) is always to the left of the local maximum of the second derivatives (1).

Для дополнительных гарантий работы в автоматическом режиме также анализируется сумма вторых производных сглаженного сигнала ЭКГ (фиг. 5в, пунктирная кривая), которая представляет интегральную характеристику приращения скорости изменения сигнала ЭКГ на длительном этапе. Для гарантии выделения R-зубца, также требуется, чтобы локальный максимум (1), который показывает значительное приращение скорости перед характерной точкой R, всегда находился левее локального минимума (2) суммы вторых производных.For additional guarantees of operation in automatic mode, the sum of the second derivatives of the smoothed ECG signal is also analyzed (Fig. 5c, dotted curve), which represents the integral characteristic of the increment in the rate of change of the ECG signal at a long stage. To guarantee the selection of the R-tooth, it is also required that the local maximum (1), which shows a significant increase in speed before the characteristic point R, is always to the left of the local minimum (2) of the sum of the second derivatives.

4. Выявление преждевременного сокращения желудочков (V)4. Detection of premature contraction of the ventricles (V)

Поскольку в ряде случаев при сбое в работе сердечной мышцы вместо R-зубца наблюдается преждевременное сокращение желудочков (V), необходимо отделять в автоматическом режиме R-зубец от патологии V. На фиг. 6 представлен фрагмент сигнала ЭКГ для записи 203 (сплошная кривая), первые производные (а), вторые производные (б), а также сумма вторых производных (в) сглаженного сигнала ЭКГ (пунктирная кривая). Локальный максимум и минимум первых производных, определенные автоматически на основе анализа гистограммы их распределения, отмечены маркером и цифрами 1 и 2 соответственно. Since in some cases, when the heart muscle fails, premature contraction of the ventricles (V) is observed instead of the R-wave, it is necessary to automatically separate the R-wave from the V pathology. In Fig. Figure 6 shows a fragment of the ECG signal for recording 203 (solid curve), first derivatives (a), second derivatives (b), and the sum of second derivatives (c) of the smoothed ECG signal (dashed curve). The local maximum and minimum of the first derivatives, determined automatically based on the analysis of the histogram of their distribution, are marked with a marker and the numbers 1 and 2, respectively.

Так, при патологии V резкое падение сигнала ЭКГ предшествует его росту, то локальный максимум (1) находится правее локального минимума (2) первых производных, что является прямой противоположностью ситуации с вершиной R. В случае срабатывания данного критерия, патология V детектируется автоматически между минимумом (2) и максимумом (1) первых производных. Аналогично, ситуация противоположная ситуации с вершиной R, наблюдается для локального минимума (2) вторых производных (фиг. 6б), который находится всегда правее локального максимума (1), и для локального минимума (2) суммы вторых производных (фиг. 6в), который находится всегда левее соответствующего локального максимума (1). Thus, in case of pathology V, a sharp drop in the ECG signal precedes its growth, then the local maximum (1) is located to the right of the local minimum (2) of the first derivatives, which is the direct opposite of the situation with the peak R. If this criterion is triggered, the pathology V is detected automatically between the minimum (2) and maximum (1) of the first derivatives. Similarly, the situation opposite to the situation with the top R is observed for the local minimum (2) of the second derivatives (Fig. 6b), which is always to the right of the local maximum (1), and for the local minimum (2) of the sum of the second derivatives (Fig. 6c), which is always to the left of the corresponding local maximum (1).

Для автоматического выделения R-зубца и патологии V требуется выявление вышеперечисленных признаков поведения локальных минимумов и максимумов первых и вторых производных, а также суммы вторых производных сглаженного сигнала ЭКГ. В случае расхождения указанных признаков алгоритм обучается дополнительно на основе анализа соседних локальных минимумов и максимумов. Количество таких случаев варьируется от 3 до 30% в зависимости от сложности сигнала ЭКГ.For automatic selection of the R-wave and V pathology, it is required to identify the above signs of the behavior of local minima and maxima of the first and second derivatives, as well as the sum of the second derivatives of the smoothed ECG signal. In the event of a discrepancy between the indicated features, the algorithm is trained additionally based on the analysis of neighboring local minima and maxima. The number of such cases varies from 3 to 30% depending on the complexity of the ECG signal.

5. Определение временных и амплитудных параметров зубцов T и P5. Determination of the time and amplitude parameters of the T and P waves

Предлагаемый подход также лежит в основе автоматического выделения зубцов Т и P. На фиг. 7 представлен фрагмент сигнала ЭКГ для записи 111 из базы данных MIT-BIH (сплошная кривая), а также первые производные сглаженного сигнала ЭКГ (пунктирная кривая). The proposed approach also underlies the automatic extraction of T and P waves. FIG. Figure 7 shows a fragment of the ECG signal for record 111 from the MIT-BIH database (solid curve), as well as the first derivatives of the smoothed ECG signal (dashed curve).

Как было показано выше, локальные максимумы (1) и минимумы (2) первых производных, соответствующих окрестности R-зубца, являются самыми выраженными среди вершин всех зубцов. Следующими, меньшими по абсолютной величине являются локальные максимумы (1′) и минимумы (2′) первых производных в окрестности вершины T-зубца. Третью позицию по абсолютной величине занимают локальные максимумы (1′′) и минимумы (2′′) первых производных, окружающие вершину P-зубца. Вершины T и P-зубцов, аналогично зубцу R и T, выделяется автоматически между соответствующими локальным минимумом и максимумом первых производных сглаженного сигнала ЭКГ. As shown above, the local maxima (1) and minima (2) of the first derivatives corresponding to the vicinity of the R-tooth are the most pronounced among the tops of all the teeth. The next smaller absolute values are the local maxima (1') and minima (2') of the first derivatives in the vicinity of the top of the T-tooth. The third position in absolute value is occupied by the local maxima (1′′) and minima (2′′) of the first derivatives surrounding the top of the P-tooth. The tops of T and P-waves, similarly to the R and T waves, are automatically allocated between the corresponding local minimum and maximum of the first derivatives of the smoothed ECG signal.

Точность детектирования сигнала ЭКГ на основе предлагаемого подхода варьируется от 95% до 99,9% в зависимости от сложности исходного сигнала ЭКГ. Применение данного подхода ограничено в ситуации, когда одна и та же форма сигнала ЭКГ интерпретируется специалистом по-разному в зависимости от дополнительных признаков сигнала ЭКГ, а также других отведений. Также существует ряд неопознанных сигналов, которые интерпретируются индивидуально. Тем не менее, предлагаемый алгоритм автоматически указывает затруднительные фрагменты, что позволяет медицинскому персоналу минимизировать время, потраченное на ручную обработку сигнала для последующей диагностики и принятия медицинский решений. The accuracy of ECG signal detection based on the proposed approach varies from 95% to 99.9% depending on the complexity of the original ECG signal. The use of this approach is limited in a situation where the same form of the ECG signal is interpreted by a specialist in different ways, depending on the additional features of the ECG signal, as well as other leads. There are also a number of unidentified signals that are interpreted individually. However, the proposed algorithm automatically identifies difficult fragments, which allows medical personnel to minimize the time spent on manual signal processing for subsequent diagnosis and medical decision making.

Важным преимуществом предлагаемого способа является способность гибкого и быстрого реагирования на возможные изменения формы кардиоцикла, происходящие в процессе наблюдения, что является необходимым требованием для обработки ЭКГ сигнала в автоматическом режиме. Данные методы лежат в основе описываемого способа анализа сигнала ЭКГ, обладающего надежностью, гибкостью и простотой реализации. An important advantage of the proposed method is the ability to respond flexibly and quickly to possible changes in the shape of the cardiocycle occurring during the observation process, which is a necessary requirement for automatic ECG signal processing. These methods underlie the described ECG signal analysis method, which is reliable, flexible, and easy to implement.

Гибкость и простота использования предлагаемого способа позволяют минимизировать время обработки ЭКГ сигнала для принятия решений в автоматическом режиме и надежной автоматизированной диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. The flexibility and ease of use of the proposed method make it possible to minimize the processing time of the ECG signal for automatic decision making and reliable automated diagnosis of cardiovascular diseases.

Возможна комбинация носимого устройства с возможностью регистрации электрокардиограммы и программного обеспечения для непосредственного анализа морфологии ЭКГ кривой. A combination of a wearable device with the ability to register an electrocardiogram and software for direct analysis of the ECG waveform morphology is possible.

Поставленная задача обработки ЭКГ сигнала решается путем использования как методов феноменологического подхода, так и методов статистики. Статистическая обработка экспериментальных данных, как правило, направлена на построение математической модели исследуемого объекта. Однако учет в модели всех второстепенных сторон и связей может исказить описание процесса, поскольку требует множества положений и допущений, а также привести к искажению важных особенностей процесса, стиранию важных мелких деталей, ухудшению результатов и ложным выводам в условиях недостаточной информации об объекте исследования. В условиях, когда допущения при использовании модели сопряжены с риском искажения выводов о процессе, следует разрабатывать методы аппроксимации экспериментальных данных, не требующие допущений об исследуемых процессах и воспроизводящие экспериментальную закономерность независимо от допущений о модели. Данный подход к фильтрации помех и оптимизации алгоритма сглаживания не требует предварительных допущений и предположений, часто основанных на субъективных представлениях разработчиков об исследуемом процессе ЭКГ сигнала, которые могут привести к ложным выводам. Предложенные решения подтверждены экспериментально и практически подтверждены по сравнению с известными методами. The task of processing the ECG signal is solved by using both the methods of the phenomenological approach and the methods of statistics. Statistical processing of experimental data, as a rule, is aimed at building a mathematical model of the object under study. However, taking into account all minor aspects and relationships in the model can distort the description of the process, since it requires a lot of provisions and assumptions, as well as lead to a distortion of important features of the process, erasure of important small details, worse results and false conclusions in conditions of insufficient information about the object of study. In conditions where the assumptions when using the model are associated with the risk of distorting the conclusions about the process, methods for approximating experimental data should be developed that do not require assumptions about the processes under study and reproduce the experimental pattern regardless of the assumptions about the model. This approach to filtering noise and optimizing the smoothing algorithm does not require preliminary assumptions and assumptions, often based on the subjective ideas of developers about the ECG signal process under study, which can lead to false conclusions. The proposed solutions are confirmed experimentally and practically confirmed in comparison with known methods.

Эффективная фильтрация шумов без искажения истинной динамики ЭКГ сигнала позволяет оценить с высокой точностью первые и вторые производные процесса, которые по своей природе усиливают шумовую компоненту в данных. Анализ производных сигнала ЭКГ значительно упрощает анализ ЭКГ сигнала, выделение устойчивых закономерностей и выявление патологий в автоматическом режиме. Важным свойством предлагаемого метода является способность гибкого и быстрого реагирования на изменения формы кардиоцикла, происходящие в процессе наблюдения, что является необходимым требованием для обработки ЭКГ сигнала в автоматическом режиме. Данные методы лежат в основе описываемого программного обеспечения для анализа сигнала ЭКГ, обладающего надежностью, гибкостью и простотой реализации. Efficient noise filtering without distorting the true dynamics of the ECG signal makes it possible to estimate with high accuracy the first and second derivatives of the process, which by their nature amplify the noise component in the data. Analysis of derivatives of the ECG signal greatly simplifies the analysis of the ECG signal, the selection of stable patterns and the detection of pathologies in automatic mode. An important property of the proposed method is the ability to respond flexibly and quickly to changes in the shape of the cardiocycle occurring during the observation process, which is a necessary requirement for automatic ECG signal processing. These methods form the basis of the described ECG signal analysis software, which is reliable, flexible, and easy to implement.

Эффективное выделение закономерностей ЭКГ сигнала позволяет провести анализ выбора оптимальной предикативной модели в условиях высокой вариабельности исследуемого сигнала для построения краткосрочного и долгосрочного автоматизированного медицинского прогноза.Efficient identification of patterns in the ECG signal makes it possible to analyze the choice of the optimal predictive model under conditions of high variability of the signal under study to build a short-term and long-term automated medical prognosis.

Claims (28)

1. Способ определения характеристик электрокардиограммы (ЭКГ), содержащий этапы, на которых: 1. A method for determining the characteristics of an electrocardiogram (ECG), comprising the steps of: получают ЭКГ-сигнал с помощью устройства регистрации электрокардиограммы; receiving an ECG signal using an electrocardiogram recording device; получают, с помощью средства обработки, сглаженный ЭКГ-сигнал посредством фильтрации шумов полученного ЭКГ-сигнала; obtaining, by means of the processing means, a smoothed ECG signal by filtering the noise of the received ECG signal; вычисляют, с помощью средства обработки, первые производные сглаженного ЭКГ-сигнала;calculate, using the processing means, the first derivatives of the smoothed ECG signal; определяют, с помощью средства обработки, характеристики ЭКГ на основе первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала;determining, by processing means, ECG characteristics based on first derivatives of the smoothed ECG signal; отличающийся тем, что characterized in that на основе обработки распределения локальных экстремумов первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала определяют, с помощью средства обработки, порог для выделения диапазона изменения экстремумов, соответствующих разным типам зубцов; иbased on the processing of the distribution of local extremes of the first derivatives of the smoothed ECG signal, using processing means, a threshold is determined to highlight the range of variation of extremes corresponding to different types of teeth; And определяют, с помощью средства обработки, характеристики вершин зубцов разных типов на основе выделенных диапазонов изменения экстремумов и взаимного расположения локальных максимумов и минимумов первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала.using the processing means, the characteristics of the peaks of the teeth of different types are determined based on the selected ranges of the extremes and the relative position of the local maxima and minima of the first derivatives of the smoothed ECG signal. 2. Способ определения характеристик ЭКГ по п. 1, дополнительно содержащий этапы, на которых:2. The method for determining ECG characteristics according to claim 1, further comprising the steps of: вычисляют, с помощью средства обработки, вторые производные сглаженного ЭКГ-сигнала; иcalculate, using the processing means, the second derivatives of the smoothed ECG signal; And определяют, с помощью средства обработки, характеристики вершин зубцов разных типов дополнительно на основе локальных максимумов и минимумов вторых производных сглаженного ЭКГ-сигнала.determine, using the processing means, the characteristics of the tops of the teeth of different types additionally based on the local maxima and minima of the second derivatives of the smoothed ECG signal. 3. Способ определения характеристик ЭКГ по п. 1 или 2, дополнительно содержащий этап, на котором выявляют, с помощью средства обработки, возможную патологию на основе определенных характеристик вершин разных типов зубцов.3. The method for determining the characteristics of the ECG according to claim 1 or 2, further comprising the step of detecting, using the processing means, a possible pathology based on certain characteristics of the tops of different types of teeth. 4. Способ определения характеристик ЭКГ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что определяют вершину R-зубца между локальным максимумом и локальным минимумом первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала с учетом взаимного расположения локального максимума и локального минимума.4. A method for determining ECG characteristics according to claim 1 or 2, characterized in that the top of the R-wave is determined between the local maximum and the local minimum of the first derivatives of the smoothed ECG signal, taking into account the relative position of the local maximum and local minimum. 5. Способ определения характеристик ЭКГ по п. 4, в котором отделяют R-зубец от мономорфной желудочковой тахикардии, когда наблюдается преждевременное сокращение желудочков, на основе изменения взаимного расположения локального максимума и локального минимума первых и вторых производных сглаженного ЭКГ-сигнала.5. The method for determining the ECG characteristics according to claim 4, in which the R-wave is separated from monomorphic ventricular tachycardia, when premature contraction of the ventricles is observed, based on a change in the relative position of the local maximum and local minimum of the first and second derivatives of the smoothed ECG signal. 6. Способ определения характеристик ЭКГ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что определяют вершины T-зубцов и P-зубцов между локальными максимумами и локальными минимумами первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала, при этом различают R-зубцы, T-зубцы и P-зубцы по абсолютной величине разности между соответствующими локальными максимумами и локальными минимумами.6. A method for determining ECG characteristics according to claim 1 or 2, characterized in that the tops of T-waves and P-waves are determined between local maxima and local minima of the first derivatives of the smoothed ECG signal, while R-waves, T-waves and P-teeth by the absolute value of the difference between the corresponding local maxima and local minima. 7. Система определения характеристик электрокардиограммы (ЭКГ), содержащая:7. An electrocardiogram (ECG) characterization system, comprising: устройство регистрации электрокадриограммы, выполненное с возможностью получения ЭКГ-сигнала;an electrocardiogram recording device configured to receive an ECG signal; средство обработки, выполненное с возможностью:processing means configured to: сглаживания ЭКГ-сигнала посредством фильтрации шумов полученного ЭКГ-сигнала; smoothing the ECG signal by filtering the noise of the received ECG signal; вычисления первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала; иcalculating the first derivatives of the smoothed ECG signal; And определения характеристик ЭКГ на основе первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала;determining ECG characteristics based on first derivatives of the smoothed ECG signal; отличающаяся тем, что средство обработки дополнительно выполнено с возможностью:characterized in that the processing means is additionally configured to: определения, на основе обработки распределения локальных экстремумов первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала, порога для выделения диапазона изменения экстремумов, соответствующих разным типам зубцов; иdetermining, on the basis of processing the distribution of local extrema of the first derivatives of the smoothed ECG signal, a threshold for selecting the range of change of extrema corresponding to different types of teeth; And определения характеристик вершин разных типов зубцов на основе выделенных диапазонов изменения экстремумов и взаимного расположения локальных максимумов и минимумов первых производных сглаженного ЭКГ-сигнала.determining the characteristics of the peaks of different types of teeth based on the selected ranges of extremes and the relative position of the local maxima and minima of the first derivatives of the smoothed ECG signal. 8. Система определения характеристик ЭКГ по п. 7, в которой средство обработки дополнительно выполнено с возможностью:8. The ECG characterization system of claim 7, wherein the processing means is further configured to: определения вторых производных сглаженного ЭКГ-сигнала; и determining the second derivatives of the smoothed ECG signal; And определения характеристик вершин зубцов разных типов дополнительно на основе локальных максимумов и минимумов вторых производных сглаженного ЭКГ-сигнала.determining the characteristics of the peaks of the teeth of different types additionally based on the local maxima and minima of the second derivatives of the smoothed ECG signal. 9. Система определения характеристик ЭКГ по любому из пп. 7 или 8, в которой устройство регистрации электрокардиограммы представляет собой стационарный кардиомонитор, холтеровский ЭКГ-монитор, носимое устройство регистрации ЭКГ или мобильное устройство с функцией регистрации ЭКГ. 9. The system for determining the characteristics of the ECG according to any one of paragraphs. 7 or 8, wherein the electrocardiogram recording device is a stationary heart monitor, a Holter ECG monitor, a wearable ECG recording device, or a mobile device with an ECG recording function.
RU2021138251A 2019-05-24 System and method for automated electrocardiogram analysis and interpretation RU2791006C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791006C1 true RU2791006C1 (en) 2023-03-01

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5758654A (en) * 1996-08-29 1998-06-02 Harley Street Software Ltd. ECG P QRS T onset and peak detection method
WO2004084722A1 (en) * 2003-03-28 2004-10-07 Advanced Medical Diagnostics Group Limited Method and apparatus for for identifying features in an ecg signal
RU2362483C2 (en) * 2006-04-24 2009-07-27 Владимир Михайлович Хаютин Method of continuous dynamic estimate of human left ventricle
CN106889979A (en) * 2016-12-30 2017-06-27 中国科学院电子学研究所 A kind of continuity blood pressure measuring method based on electrocardiosignal and blood oxygen volume ripple

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5758654A (en) * 1996-08-29 1998-06-02 Harley Street Software Ltd. ECG P QRS T onset and peak detection method
WO2004084722A1 (en) * 2003-03-28 2004-10-07 Advanced Medical Diagnostics Group Limited Method and apparatus for for identifying features in an ecg signal
RU2362483C2 (en) * 2006-04-24 2009-07-27 Владимир Михайлович Хаютин Method of continuous dynamic estimate of human left ventricle
CN106889979A (en) * 2016-12-30 2017-06-27 中国科学院电子学研究所 A kind of continuity blood pressure measuring method based on electrocardiosignal and blood oxygen volume ripple

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8666483B2 (en) System for cardiac medical condition detection and characterization
Choudhary et al. Automatic detection of aortic valve opening using seismocardiography in healthy individuals
US5277189A (en) Method and apparatus for the measurement and analysis of cardiac rates and amplitude variations
US8396541B2 (en) Signal analysis of cardiac and other patient medical signals
JP5271718B2 (en) How to identify fetal and maternal ECGs across multiple time segments
US8433398B2 (en) Signal analysis system for heart condition determination
US8929975B2 (en) System for heart monitoring, characterization and abnormality detection
US8233972B2 (en) System for cardiac arrhythmia detection and characterization
JP7429371B2 (en) Method and system for quantifying and removing asynchronous noise in biophysical signals
US8684942B2 (en) System for cardiac impairment detection based on signal regularity
US8868168B2 (en) System for cardiac condition characterization using electrophysiological signal data
US8364248B2 (en) System for cardiac pathology detection and characterization
US9901277B2 (en) Cycle length iteration for the detection of atrial activations from electrogram recordings of atrial fibrillation
US20100152598A1 (en) System for Heart Performance Characterization and Abnormality Detection
US8903480B2 (en) System for cardiac condition detection using heart waveform area associated analysis
US11344246B2 (en) Long QT syndrome diagnosis and classification
US20210007621A1 (en) Method to analyze cardiac rhythms using beat-to-beat display plots
JP2020517337A (en) Artifact resistance pulse variability measurement
RU2791006C1 (en) System and method for automated electrocardiogram analysis and interpretation
WO2020242334A1 (en) System and method of automated electrocardiogram analysis and interpretation
Tun et al. Analysis of computer aided identification system for ECG characteristic points
Sbrollini et al. Automatic identification of atrial fibrillation by spectral analysis of fibrillatory waves
RU2759069C1 (en) Method for noninvasive diagnosis of coronary heart disease
Arvinti et al. Effective wavelet algorithm for an automatic detection of atrial fibrillation
Singh et al. Signal Quality Evaluation and Processing for QRS Detection in ECG based Smart Healthcare Systems