Az EKG-jel feldolgozása

A testfelszínen hozzáférhető EKG-jel jel/zaj viszonya kedvezőtlen: a szív elektromos működése a mV-os, a hálózati frekvenciájú jelből a kapacitív csatoláson keresztül bejutó jel V-os nagyságrendű jelet eredményez. A 3.

fejezetben ismertetett EKG-erősítők jelentősen javítják a jel/zaj viszonyt, jellemző a 4.1. ábra szerinti felvétel. A 4.1. fejezetben leírt eljárásokkal a jel/zaj viszony tovább növelhető.

Ebben a fejezetben alapvetően egy elvezetésben rögzített EKG-időfüggvény kiértékelésével foglalkozunk.

(Párhuzamosan több elvezetést vizsgálva hatékonyabb lehet a kiértékelés.) A vizsgált felvételek döntő többségét a BME Méréstechnika és Információs Rendszerek Tanszéken fejlesztett HHM készülékkel [4.12], [4.13] vettük fel. Ez a bipoláris, Einthoven I. elvezetést rögzíti, az elektródok a bal és a jobb tenyérrel vannak kontaktusban.

A jobb tenyérhez kapcsolódik a testfelszín aktív meghajtásával a közös jelet csökkentő erősítő kimenete is. Az ebben a fejezetben vizsgált EKG-felvételek olyan személyekről készültek, akik szívének elektromos tengelye az Einthoven I. elvezetés vektorirányával 0–180º-os szöget zár be. Így a P, R és T hullámok pozitívak. Ha egy időben több elvezetés is rendelkezésre áll, akkor jelentősen növelhető az EKG-ciklus egyes összetevői (P, QRS,

T hullámok, az ezek kezdő- és végpontja között értelmezett időtartományok, tPQ, tQT, tQRS) meghatározásának pontossága.

Az EKG-jel kiértékelésekor először a komplexusok időbeli helyét szokás meghatározni. A QRS-komplexusok az esetek döntő többségében viszonylag könnyen meghatározhatók, időbeli helyzetük ismerete segíti az EKG többi fontos szegmensének (P és T hullám, ST szakasz) meghatározását is. A QRS-komplexus a kamrai depolarizációhoz köthető. Jellemzője a nagy meredekség és általában a nagy amplitúdó. A sokszor kedvezőtlen jel/zaj viszony nehezíti az EKG-jel feldolgozását. A zaj főbb okai: hálózatból a szórt kapacitásokon keresztül bejutó zavarjel (Magyarországon 50 Hz, és ennek felharmonikusai), az elektródok elmozdulása a bőrön, a vizsgált személy mozgása miatti elektromiográfiás jel, a légzés és a bőr/elektród kapcsolódási felületen kialakuló kontaktpotenciál változása miatti alapvonal-vándorlás. A QRS-komplexus detektálásának igen elterjedt módszere a Pan–Tompkins-algoritmus [4.27]. A 4.15. ábrán alul látható, hogy a QRS-komplexus helyét a Pan–Tompkins-algoritmus nem feltétlenül az R csúcsra teszi. Az R csúcs pontos helyének meghatározására lokális maximumkeresést alkalmazhatunk a Pan–Tompkins-algoritmus által kijelölt időpont szűk (néhány tíz ms) környezetében.

4.15. ábra - QRS-detektálás eredménye a Pan–Tompkins-algoritmust használva. Az adott EKG-jelszakasz mind a 19 QRS-ét (felső ábra) felismerte az algoritmus, de nem feltétlenül az R csúcsot jelölte meg (alsó ábra).

A Pan–Tompkins-algoritmus továbbfejlesztett változatának [4.16] a funkcionális blokkvázlatát adjuk meg a 4.16. ábrán. Ennek lépései a következők: sáváteresztő szűrés, deriválás, effektív érték képzése, integrálás mozgó ablak használatával, ezt követi a komparálás. A sáváteresztő (az áteresztő tartomány jellemzően 6 … 16 Hz) szűrés azon alapul, hogy az EKG-ciklus egyes összetevőinek frekvenciatartománya eltérő. A QRS-komplexus frekvenciaspektrumában a maximum 6 … 16 Hz között, a P - és a T hulláméban 1 … 3 Hz között van.

4.16. ábra - QRS-detektálás a Pan–Tompkins-algoritmust használva

A QRS-detektáló algoritmus jóságát két paraméterrel jellemzik:

• a QRS-komplexusok hány százalékát találja meg (érzékenység),

• hány jelrészt minősít QRS-nek, ami nem az (specificitás vagy pozitív prediktivitás).

Az aktuális jel/zaj viszonytól, továbbá a páciens állapotától (nyugalmi, terhelés alatti, egészséges, szívbeteg) és szívritmusának állandóságától függ, hogy a QRS- komplexusokat egy algoritmus milyen arányban találja meg (érzékenység, sensitivity, S). Nehezebb jellemezni az algoritmusok téves QRS-kijelölését (nem QRS-jelrész QRS-nek minősítése). A klasszikus definíció szerint a specificitás = TN/(TN +FP), ahol TN (true negative) a

valós negatív és FP (false positive) a hibás pozitív minősítés. Lehetséges még a TP (true positive), valós pozitív és az FN (false negative), hibás negatív minősítés. Személyek orvosi vizsgálatokkal (teszt) történő diagnosztizálása során a minősítések egyértelműek. Valós pozitív: a teszt kimutatott betegséget, és a páciens valóban abban a betegségben szenved. Valós negatív: a teszt azt mutatta, hogy a páciens nem szenved egy adott betegségben, és ez a valóság. Hibás pozitív: a teszt azt mutatta, hogy a páciens egy adott betegségben szenved, de ez nem igaz. Hibás negatív: a teszt azt mutatta, hogy egy adott betegségben szenvedő páciens abban a betegségben nem szenved. EKG esetében a pozitív prediktivitást használják a specificitás helyett, mert a TN értelmezése egy időfüggvényen nem egyszerű. Lehetne értelmezni úgy, hogy egy szívcikluson belül mind a P, mind a T hullám esetében TN-t eggyel megnöveljük, ha a detektor ezeket nem minősítette QRS-nek. A pozitív prediktivitással (P+) jellemezzük, hogy hány olyan részt jelöl meg QRS-ként az EKG-n, (például P hullámot vagy T hullámot) amely nem az. A szenzitivitást (4.3), a pozitív prediktivitást a (4.4) és (4.5) definiálja [4.29].

(4.3)

ahol TP (true positive) a felismert, FN (fals negative) a fel nem ismert QRS- komplexusok száma. TP és FN összege jellemzően megadja a szívciklusok számát a vizsgált regisztrátumban. A specificitás helyett kifejezőbb jellemző a pozitív prediktivitás (P+):

(4.4)

ahol TN (true negative) a helyesen „nem QRS”-nek, FP (fals positive) a tévesen QRS-nek minősített jelszakaszok száma. EKG-jelfeldolgozásnál nem jól értelmezhető TN: egy szívcikluson belül mely jelszakaszok esetében kell vizsgálni, QRS-nek minősítette-e az algoritmus. Ezért (4.4) helyett az alábbi definíciót használják:

(4.5)

A szelektivitás növelése azzal a kockázattal jár, hogy a pozitív prediktivitás csökkenni fog, és viszont.

Az EKG-jel további fontos elemeinek (P hullám, Q pont, ST szakasz, T hullám) keresésekor segít az ezekhez képest könnyen meghatározható R csúcs helyének ismerete. A harmadfajú AV blokk esetét kivéve a P hullám és a Q pont időben megelőzi, az ST szakasz és a T hullám követi az R csúcsot. Egészséges szívműködés esetén az EKG egyes szakaszainak időtartama megadott limitek között van. Például a PR szakasz hossza 120 … 200 ms között, a QRS szélessége 120 ms-nál rövidebb kell legyen. A normálisnak tekintett tPQ és tQRS értékeket és a P és R hullámok közel szimmetrikus felépítését figyelembe véve a P hullám csúcspontja az R csúcs előtt 130 … 210 ms-mal kell legyen. Az EKG-jelről további részletek a 6. fejezetben találhatók.

2.2. 4.2.2. A fotopletizmográfiás (PPG) jel feldolgozása

A pletizmográfia a teljes test vagy egy szerv térfogatváltozását méri. Ha a mérésre fényt használunk, akkor fotopletizmográfiáról beszélünk. Jellemzően infravörös tartományban sugárzó LED adja a bemeneti jelet, és fotodióda érzékeli a kimeneti (a test egy részén áthaladt) jelet. Az érzékelt jel fény, így a PPG-jel a testfelszínen jelen levő hálózati eredetű (elektromos) zajt nem tartalmaz. A 4.17. ábra mutatja a mérési elvet ujjbegyen történő méréskor. Az ábrán a reflexív megoldás látható, a detektor a belső anatómiai képletekről – alapvetően csontról – visszavert jelet érzékel. Minél nagyobb az ujjbegy vérrel való telítettsége, annál nagyobb mértékű a LED által kisugárzott jel leosztása. A 4.18. ábra mutatja az ujjbegyről felvett PPG-jelet (a fotodióda kimeneti áramát invertáló erősítő alakította feszültséggé). Az ábrán a görbe minimális értéke tartozik a végdiasztoléhoz, ekkor érkezik az ujjbegyhez a szisztolé által indított pulzushullám. A fotopletizmográfiás módszer több hullámhosszon kibocsátott jel alkalmazása esetén alkalmas a vér oxigéntelítettségének mérésére is [4.25], [4.26]

(ld. 2.2.5. alfejezet).

4.17. ábra - Reflexív fotopletizmográf ujjbegyen történő méréshez

A 4.18. ábrán látható, hogy az 5 Hz-es, másodfokú Butterworth aluláteresztő szűrést követően a PPG-jel lokális minimuma kijelölhető (ld. nyíl). A lokális minimum jelöli azt az időpillanatot, amikor a kamrai szisztolét követő pulzushullám eléri az ujjbegyet.

4.18. ábra - Ujjbegyen rögzített PPG-jel (felül), 5 Hz-es másodfokú Butterworth aluláteresztő szűrés eredménye (középen). Egy szakasz kinagyítva (alul), a nyíl jelzi a pulzushullám megérkezését az ujjbegyhez.

A párhuzamosan rögzített EKG- és PPG-jelek kiértékelésével megbecsülhető a pulzushullám terjedési sebessége. Az R hullám jelzi a bal kamra összehúzódásának kezdetét. Az összehúzódás első szakaszán a bal kamra nyomása alacsonyabb, mint az aortában levő diasztolés nyomás, így az aortabillentyű zárva van, a kamra térfogata nem változik (izovolumetriás szakasz). (A kamrai nyomás azonban nagyobb, mint a pitvari nyomás, így a mitrális billentyű az összehúzódás kezdetén bezár.) Az emelkedő kamrai nyomás mintegy 50 ms múlva eléri az aortanyomást, az aortabillentyű kinyit és a pulzushullám elindul. Az EKG-n az S hullám megjelenése jó közelítéssel egybeesik a bal kamrát és az aortát elválasztó aortabillentyű kinyitásával és így a pulzushullám elindulásával. A 4.18. ábrán a PPG-jelen nyíllal jelöltük azt az időpillanatot, amikor a pulzushullám az ujjbegyhez érkezik. A pulzushullám megérkezése után a vér szétterjed az ujjbegy érhálózatán, a PPG-jel ennek megfelelően változik. A pulzushullám indulása és az ujjbegyhez megérkezése közti időt ΔTEP-nek nevezzük, utalva arra, hogy az időkülönbséget az EKG- és a PPG-jel segítségével lehet mérni. Megállapítva a szív és az ujjbegy hozzávetőleges távolságát (d, 80 … 120 cm), a pulzushullám terjedési sebessége: v = d/ΔTEP.