Mérőrendszerek

A TPT elvezetés-rendszerek jellemzően elszigetelt kutatócsoportok munkái alapján alakultak ki.

Magyarországon az 1970-es évek közepén jelent meg az első testfelszíni potenciál-térképező rendszer az Orvostovábbképző Intézet és a KFKI Bioelektronikai Osztályának közös fejlesztésében: előbb 19, 35, majd 67 és 120 elvezetést használtak. A rendszer az elektromos jeleken kívül gyorsulási adatokat is rögzített. [61]. A ma használt mérőrendszereknek nincs egységes szabványuk, az elvezetés számát, azok lokalizációját, vagy pedig méréstechnikai tulajdonságaikat tekintve sem. A párhuzamosan használt elektródaelvezetések mérési eredményeinek redundanciáját, illetve az adatredukció lehetőségeit is szükséges volt elemezni. A használt elvezetések száma jelenleg általában 24-256-ig, a mintavételi frekvencia pedig 500-2048Hz-ig terjed [33, 73, 77, 79-85]. A mérőrendszerek közül néhányat a melléklet részletez.

A mérésekhez általában egyszer-használatos Ag/AgCl elektródát használnak, mivel kedvező stabilitási és polarizációs tulajdonságai vannak, így biztosítja a megfelelő jel-zaj viszonyt. A kapacitív elektródák paraméterei nem kielégítők. Az elektródák átmérője befolyásolja a prekordiális jelek amplitúdóját [86], így ma jellemzően 8 mm átmérőjű elektródák használatosak. Elektródákat (egy-két kivételtől eltekintve) a mellkasi (anterior) és a háti (posterior) oldalon is elhelyeznek, ezzel térben nagyobb spektrumot fednek le a potenciál-eloszlásból, mint a standard EKG. Az analóg/digitális (AD) konverziót illetően a TPT rendszerek pontossági igénye legalább 9 bit [87], az alkalmazott rendszerek ezt a korlátot általában figyelembe veszik, hiszen a használt AD konverzió 8-16 bites, ami megközelítőleg 10μV-os felbontást tesz lehetővé. Az adattároló és feldolgozó rendszereket on-line erősítés, multiplexelés jellemzi, jellemzően kis zajú mérő-erősítőket alkalmaznak.

A hálózati zajok, elektromágneses zavarok szűrésére általában lyukszűrőt, simító eljáráson alapuló módszert, Fourier transzformációs vagy regressziós eljárást, továbbá EKG jelátlagolási technikákat használnak [88, 89]. A mérés- és számítástechnika fejlődésével lehetővé vált a hosszú, jó minőségű sokcsatornás felvételek tárolása és analízise is, ennek ellenére a vizsgálatok sok esetben egy szívciklushoz tartozó felvételekre korlátozódnak, amit nyugalmi vagy terheléses vizsgálat során készült reprezentatív mintának tekintenek.

6. ábra A disszertációban használt elvezetés-rendszerek elektróda-elrendezései. Fent 32 elvezetéses Lux 32a (jobbra), 63 elvezetéses Savard (balra). Lent a 219 elvezetéses pármai (balra), Budapest-MARK8 hardver alapú 64 csatornásra

bővített Lux -32 rendszer. R: jobb kéz, L: bal kéz. [74, 75, 248]

A készülék és mérési rendszerek fejlesztése mellett az 1970-es évek végétől beindult a statisztikai adatgyűjtés majd a döntéstámogató rendszerek fejlesztése is. Ez többek között segítette az olyan betegségek diagnosztizálását, mely hagyományos EKG-val le nem fedett helyen, illetve közel a mérési zaj tartományában regisztrálható (pl. a hirtelen szívhalál egyik előfeltételeként számon tartott kamrai utópotenciálok mérése).

Eltérő méréstechnikájú TPT rendszerek alakultak ki az idő folyamán, melyek felhasználásából nyert eredmények egymással történő összevetése számos új kérdést, ezáltal kutatási irányt vetett fel: az elektródák számának és lokalizációjának problémakörében [62-65], általános diagnosztikai érvényű elvezetés-rendszer kutatásában [65,], tömörítési eljárások kidolgozásában [70], a mérőrendszerek közötti adatkonverzió és egységes adatbázis kialakításának problémakörében [67, 68, 71, 72].

Lehetőleg mindezeket úgy megoldva, hogy a kinyerhető diagnosztikai teljesítmény maximális legyen.

Érdekesség, hogy bár számos előnye ismert a TPT rendszereknek, a világszerte meglévő egyedi és több helyen használt rendszerek közül mind a mai napig egyedül Japánban vált a TPT megvalósítása rutinszerű klinikai alkalmazássá [73], a legtöbb helyen kiegészítő vagy kísérleti rendszerként üzemel.

Az alkalmazott elvezetések kiválasztása

A Shannon-Nyquist tétel kimondja, hogy a sávhatárolt analóg jelből képzett digitális jel esetén a maximális frekvenciakomponensnél legalább kétszer nagyobb mintavételi frekvenciát kell alkalmazni a megfelelő mintavételhez. Az EKG sávhatárolt jel általában a 0-100Hz tartományban, a kamrai utópotenciál jel, ami pedig az egyik legnagyobb frekvenciájú jel közé tartozik a 40-250Hz tartományban található jeleket generál. Éppen ezért a fenti feltételnek az EKG mérés eleget tesz, amennyiben legalább 500Hz a mintavételi frekvencia. Informatikai szempontból a térbeli mintavételezés megfelelő reprezentációjához a megközelítőleg 3cm-es elektródatávolság lenne elegendő, ez ekvidisztáns elvezetésre és normál testalkatra vonatkoztatva ez közel 200 elektródát jelent. A térbeli mintavételezést elsősorban empirikus közelítéssel, mérőcsoportonként végezték, de a legtöbb elvezetés-rendszer a fenti feltételt nem teljesíti. A jelenlegi legjobb közelítést a nem-ekvidisztáns elrendezésű Parma rendszer jelenti [61].

A nyolcvanas években – a számítástechnika kezdeti térnyerésekor - kulcskérdésnek számított a térben jól elhelyezett kevés (limitált) elektródaszám meghatározása, valamint a megfelelő adattömörítési eljárások használata, a redundancia csökkentése. Az elvezetés-szám csökkentése nem a kutatók, hanem a klinikusok munkájának megkönnyítését célozta. A cél: úgy csökkenteni az elvezetés számát, hogy az elvezetések egyedi információi megmaradjanak és a diagnosztikailag fontos információt a rendszer tartalmazza. 25-50 elvezetéssel kívánták úgy reprezentálni a potenciálteret, hogy az méréstechnikai és felhelyezési egyszerűsítéssel, de a patológiás állapotok jellegzetességeinek megfelelő rekonstrukciójával járjon együtt. Ebből a gondolatból kiindulva Barr és munkatársai, valamint Lux javasolta az ún. „limited lead system” használatát [77, 78]. Az alábbi kérdésekre keresték a választ: Hány felszíni elektróda szükséges egy előre definiált pontosság eléréséhez? Mi ezeknek az elektródáknak a helyzete (lokalizációja) és mennyire érzékeny a becslési hiba a különböző elektróda elrendezésre különböző patológiai eseteknél. A 192 elvezetéses (12x16 grid) potenciál-térképező rendszerből kiindulva kerestek egy olyan részhalmazt, melyre vonatkozó transzformációs mátrix legjobban tudta közelíteni a teljes elvezetés-rendszert. Közel 11000 térképet feldolgozva alkotta meg a róla elnevezett Lux-32 elvezetés-rendszert, melyben dominálnak a mellkasi elvezetések.

A 192 elvezetésre történő rekonstrukció hibája átlagosan 32μV, a korreláció átlaga 0.983 volt, a jel zaj arány (signal to noise ratio, SNR) 3.5%-nak adódott. Az elvezetés-rendszer tartalmazza a standard 12 elvezetéses EKG mérési pontjait is.

TPT adattömörítés Karhunen-Loeve eljárással

A számítástechnikai eszközök kezdeti korlátozott adattárolási kapacitása miatt az adattömörítés megoldása volt a következő kulcskérdés. A tér és időbeli TPT adat redukciójára a Karhunen-Loeve (KL) sorfejtés módszerét Lux és Evans vezette be [69, 70]. Matematikailag belátható, hogy bármely térkép egy mintavételi pillanatban előállítható ortonormális eloszlások súlyozott összegével, amire alkalmazható a KL véletlen folyamatokra vonatkozó sorfejtés. Lux és munkatársai 221 páciens közel

30000 TPT időpillanatának adatait felhasználva bizonyították, hogy az első 12 darab KL komponens már a populáció össz-varianciájának közel 98%-át tartalmazza. A térképek komplexitása a sajátérték csökkenésével növekszik, az első három térkép határozottan dipólus jelleget mutat, a többi multipoláris. A KL paraméterekből létrehozható a az ún. dipolaritási, valamint az általam is használt nondipolaritási index (NDI). Ez az változó érzékletesen mutatja a heterogenitás eloszlás időbeli változását emiatt alkalmas a malignus arritmiák feltérképezésére[99-101], de cserében a tömör ábrázolásért a módszer térbeli lokalizációra alkalmatlan és ebből az eredeti jel már nem állítható elő.

Nondipolaritási index alatt tehát az

∑

függvényt értjük, ahol KLi a QRS integrál térbeli tömörítéséből számított sajátvektorok sajátértéke (QRST esetére hasonlóképpen megadható).

További tömörítés érhető el, ha nem csak a térbeli, hanem az időbeli sajátvektorok esetén is használjuk a fenti módszert. A QRS és STT szakaszok eltérő hullám és élettani (depolarizáció repolarizáció) tulajdonságait figyelembe véve, az időnormalizált hullámokra külön-külön újabb 12 illetve 6 saját-vektort határoztak meg, a QRS és STT egyaránt 150 időpillanatra történő (kvadratikus interpolációt használó) normalizálását követően. A térbeli és időbeli sajátvektorok használatával a teljes QRST 1 ciklusa 216 koefficienssel ábrázolható, ami 20-szoros adatcsökkenést jelent, de adatvesztéssel, ezáltal diagnosztikai információ vesztéssel jár. Ennek mértékére azonban csak egy általános – patológiás állapottól független - hibaértéket adtak meg (négyzetes hibaérték- RMS 45 μV), mely nem jellemzi jól a hullámalak időbeli és térbeli megváltozásainak sajátosságait. Mivel a Deszki Mellkasi Betegségek Szakkórházában tárolt adatok ilyen tömörített formában álltak rendelkezésemre, meg kellett határoznom az eljárás egészséges és normál populációra vonatkoztatott hibaértékeit térben és időben.

(ld. 3.3. fejezet). Ma már a számítástechnikai és adattárolási eszközök megfizethetők, a tárolási kapacitás elég nagy, így elvárás, hogy sok csatorna és hosszú felvétel esetén is veszteségmentesen tároljuk az adatokat.

TPT rendszerek közötti adatkonverzió, szabványosítási törekvések

A sokféle diagnosztikai probléma mellett a már kidolgozott módszerek sem gyorsítják a testfelszíni potenciáltérképezések szabványosítását úgy, ahogy az a 12 elvezetéses rendszerrel történt. Az egyedi mérőállomások magas költséggel épültek ki, általában nem bővíthetőek és jellemzően valami célfeladatot látnak el, ráadásul az adatok mérés és információ-technológiai eljárásai igen eltérőek. Az összevont adatbázisok kialakítása azonban mérhető hibákat generál, a járulékos „átszámítási zaj”

elfedheti a diagnosztikai-információt [72]. Több nemzetközi projekt kezdődött olyan nagy validált adatbázisok létrehozására, az adatformátumok egységesítésére, melyek a statisztikai osztályozás és döntéstámogatás elősegítéséhez elegendő validált minta elemszámot biztosítják [67, 92]. Ezen

projektek és Hoekma vizsgálatai is azt eredményezték, hogy a 64 csatorna elegendő a legtöbb kardiológiai patológiás állapot feltárására és megfelelő diagnosztikai információt tartalmaz [66]; ezért a testfelszíni potenciáltérképezésben, mint standard bevezetése javasolt. Ennek ellenére nincs előrelépés a TPT szabványosítási törekvéseiben. A TPT rendszerek között adatkonverzió tehát lehetséges, de diagnosztikai szempontból fontos információ elvesztésével járhat. [72, 90, 91].