Metody detekce Q-T intervalu ze signálu EKG

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA CENTRUM PRO VÝZKUM TOXICKÝCH LÁTEK V PROSTŘEDÍ Metody detekce Q-T intervalu ze signálu EKG Jitka Jirčíková Bakalářská práce Vedoucí: Ing. Pavel Jurák, CSc. Brno 2010

2 Prohlašuji, že předkládanou práci jsem vypracovala samostatně a všechny použité zdroje jsou citovány v seznamu použité literatury. Datum:... Podpis:...

3 Děkuji Ing. Pavlovi Jurákovi, Csc., vedoucímu práce, za poskytnutá data, cenné rady a trpělivé vedení po celou dobu mé práce, dalším pracovníkům z Ústavu přístrojové techniky AV v Brně za poskytnutí dat a konzultace jejich zpracování v programu MATLAB a slečně Kateřině Jurákové za pomoc s testováním jednotlivých parametrů. Dále bych chtěla poděkovat RNDr. Marii Forbelské, Ph.D. za pomoc se statistikou a paní Valerii Špryslové za korekci pravopisu.

4 Abstrakt Práce se zabývá metodami detekce konce T vlny v signálu elektrokardiogramu (EKG) a postupem měření QT intervalu s využitím především metody prokládání přímky sestupnou hranou T vlny. Pro snadnější pochopení významu QRS komplexu, T vlny a důvodů detekce QT intervalu je v úvodních kapitolách přiblížena problematika elektrické činnosti srdce a způsobu měření signálu EKG. QT interval je zde chápán jako doba projevu elektrické aktivace komor a návratu pracovních buněk srdce do klidového stavu. V teoretické části práce je současně proveden přehled metod detekce R vlny a konce T vlny. V praktické části byl testován vliv různě zvolených hodnot parametrů předzpracování a vnitřního nastavení metody detekce konce T vlny na délku výsledných QT intervalů. Výsledkem testů je doporučení optimálních hodnot parametrů. Dále byly vybrány 4 metody detekce konce T vlny a na datech 12 zdravých dobrovolníků byly testovány rozdíly v detekci QT intervalů. Poslední část práce se zabývá možností detekce T vlny v místě jejího maxima. Metoda byla vyzkoušena na konkrétních datech. Klíčová slova Elektrická činnost srdce, elektrokardiografie, elektrokardiogram (EKG), QRS komplex, T vlna, RR interval, QT interval, detekce konce T vlny, filtrace EKG

5 Abstract This bachelor thesis deals with methods of the T wave end detection in electrocardiogram (ECG) signal. There is a detailed description of a procedure of the QT interval measurement. The most widely used method of the T wave end detection uses interleaving of straight line along the descending part of the T wave and its intersection of the isoelectric line. For better understanding of this thesis there are parts about electrical activity of the heart and ECG taking at the beginning. Then we can learn about QRS complexes, T waves, QT intervals and some related clinical problems there. The QT interval is the time of depolarization and repolarization of ventricles. The summary of methods of R wave and T wave detection is very important part too. A practical part of this thesis includes testing of various parameters. The aim was to discover an impact of selected parameters on QT interval length and variability. This finding has been useful for recommendation of optimal values of these parameters. The difference between four methods of the T wave end detection was tested and discussed. Data has been taken from 12 healthy volunteers. At the end of practical work there is the most important part. The method of the T wave maximum detection was tested and verified on real data sets. Key words Electrical activity of the heart, electrocardiography, electrocardiogram (ECG), QRS complex, T wave, RR interval, QT interval, T wave detection, filtration of the ECG

6 Obsah Seznam použitých zkratek... 7 Úvod... 8 Teoretická část Elektrická činnost srdce EKG a) Co je to EKG a k čemu slouží b) Interpretace EKG, popis jednotlivých částí c) 12 svodové EKG Význam QT intervalu Přehled nejčastěji používaných metod detekce R a T vlny a) Metody detekce R vlny b) Metody detekce konce T vlny Praktická část Popis dat Postup detekce QT intervalu v programu ScopeWin QT a) Výběr kanálu a stanovení parametrů b) Filtry c) Detekce R vlny segmentace EKG, kontrola detekce d) Detekce konce T vlny e) Detekce QT intervalu, kontrola výsledků f) Generování textového souboru g) Zpracování v programu MATLAB Vliv předzpracování na detekci QT intervalů Vliv detekčních parametrů metody prokládané tečny Porovnání vybraných metod detekce konce T vlny Detekce maxima T vlny v prostředí MATLAB a) Princip detekce maxima T vlny b) Použitá data c) Výsledky detekce maxima T vlny v prostředí MATLAB Závěr Seznam použité literatury... 62

7 Seznam použitých zkratek SA uzel sinoatriální uzel AV uzel atrioventrikulární uzel EKG elektrokardiogram AIM akutní infarkt myokardu QTc korigovaný QT interval (vztažený k srdeční frekvenci) QTd QT disperse rozdíl mezi největší a nejmenší hodnotou QT napříč všemi svody LQTS syndrom dlouhého QT intervalu LQTS2 jedna z konkrétních mutací spadajících pod LQTS ICD implantabilní kardioverter-defibrilátor QRS QRS komplex, nejvýraznější kmity v signálu EKG odpovídající depolarizaci komor QT QT interval, zahrnuje QRS komplex a T vlnu, odpovídá depolarizaci a následné repolarizaci komor JT Vzdálenost od konce QRS komplexu ke konci T vlny RR RR interval, vzdálenost dvou sousedních R vlny, značí délku jednoho tepu, odpovídá srdeční frekvenci QR vzdálenost mezi začátkem QRS komplexu a místem detekce R vlny (nemusí to být vždy vrchol) RT vzdálenost mezi vrcholem R vlny a koncem T vlny RT max vzdálenost mezi vrcholem R vlny a maximem T vlny ÚPT AV ČR Ústav přístrojové techniky Akademie Věd České republiky HEM HEM protokol se používá pro měření excitovaných změn v hemodynamickém systému FFT rychlá Furierova transformace, efektivnější algoritmus k diskrétní Furierově transformaci QTgainL koeficient definující vztah velikosti změny RR a QT za statických podmínek RRm parametr pro definování dynamické hranice detekce T vlny hodnota RR RTm parametr pro definování dynamické hranice detekce T vlny hodnota RT T max T end délka sestupné hrany T vlny (časová vzdálenost maxima a konce T vlny) ID identifikační číslo SD směrodatná odchylka

8 Úvod Tématem této bakalářské práce jsou metody detekce konce T vlny ze signálu EKG a jejich prostřednictvím určování délky QT intervalů. QT interval odpovídá době depolarizace a následné repolarizace srdečních komor. Změny v délce QT intervalu jsou však téměř vždy lokalizovány v době repolarizace komor. Mění se tedy doba potřebná k návratu srdečních buněk do klidového stavu, kdy jsou schopné přijmout další elektrický impulz. Statická měření QT intervalů (ustálené stavy při zátěži či v klidu) se v klinické praxi používají k odhalení některých geneticky podmíněných nemocí jako je syndrom dlouhého QT intervalu. Většina poruch souvisejících se změnou délky QT intervalu má velmi vážné příznaky a způsobuje život ohrožující stavy. Druhým pohledem na problematiku QT intervalů je studium dynamických změn v délce QT intervalů v závislosti na změně srdeční frekvence při experimentech, založených na řízeném dýchání, nástupu fyzické zátěže, mentálním stresu či nakloněné rovině. Zde se sleduje například s jakým zpožděním následují pozvolné změny v délce QT intervalu rychlou skokovou změnu v srdeční frekvenci a na jaké hodnotě se ustálí. Součástí práce je přehled všech standardně používaných metod detekce konce T vlny se zaměřením na metodu prokládané přímky sestupnou hranou T vlny, která je momentálně jednou z nejpoužívanějších a nejlépe hodnocených metod. Postup detekce QT intervalu zahrnuje mnoho dílčích kroků od základní filtrace rušeného signálu po generování kontrolních grafických či textových výstupů, použitelných k dalšímu zpracování. Tento proces je v práci podrobně popsán, k dispozici je též interaktivní grafický program ScopeWin QT, který nabízí různé metody detekce parametrů EKG včetně grafických kontrolních prvků. Cílem práce je proniknout do problematiky QT intervalů, nastudovat jednotlivé metody a postupy detekce a vyzkoušet si určování QT intervalů na datech. Současně je zde testován vliv nastavení jednotlivých parametrů předzpracování a vnitřních detekčních parametrů metody prokládání přímky sestupnou hranou T vlny na kvalitu detekce konce T vlny a délku výsledného QT intervalu. Dále byly vybrány 4 metody detekce konce T vlny, používané na Ústavu přístrojové techniky Akademie Věd České republiky (ÚPT AV ČR), a na 12 zdravých dobrovolnících je testován vliv výběru metody na detekovanou délku QT intervalu. V některých případech všechny používané metody detekce selhávají, protože signál neobsahuje dostatečně profilovaný konec T vlny. Jako možné řešení je v prostředí MATLAB naprogramována metoda detekce QT intervalu pomocí hledání maxima T vlny. Tato metoda byla vyzkoušena na konkrétních datech. Cílem bylo ověřit, zda platí předpoklady konstantní délky sestupné hrany T vlny a jestli tato metoda opravdu určí správnou délku QT intervalů v případech selhání ostatních metod. 8

9 Teoretická část 1. Elektrická činnost srdce Lidské srdce se skládá ze čtyř základních částí, ze dvou síní a komor. Svalovina pravé části srdce je slabší než levé. Stahy pravé komory totiž zásobují krví pouze tzv. plicní okruh. Krev z levé komory putuje do celého těla, proto zde musí být svalová stěna silnější (Novotný a Hruška, 2002). Srdeční svalovina se skládá z vláken, která mají podobně jako nervová vlákna schopnost odpovídat na elektrický impulz vzruchem a jeho vedením. Tato vlastnost je podmíněna klidovým napětím na membránách buněk. Pracovní svalová vlákna s velkou kontraktilitou jsou schopna impulz předávat, ale nemůže zde vzniknout. Naopak buňky tzv. převodní soustavy srdeční, kde vzruch může vznikat, téměř nejsou elastické. Součástí převodní soustavy jsou sinoatriální (SA) a atrioventrikulární (AV) uzel, Hisův svazek, Tawarova raménka a Purkyňova vlákna. Všechny buňky převodní soustavy mají schopnost spontánní depolarizace na principu toku Ca 2+ (rozdíl s pracovními buňkami myokardu, kde je hlavní tok iontů Na + ). Za normálních okolností však signály vznikají pouze v primárním centru automacie SA uzlu a ostatní se mu podřizují. (Khan, 2005) Klidové napětí Všechna svalová vlákna srdce jsou schopna depolarizace a repolarizace. Tato schopnost je způsobena tzv. klidovým napětím na membráně buněk. Vně buňky se hromadí ionty Na + a uvnitř K +. Membrána je pro draslíkové ionty propustná, mohou se pohybovat skrze ni difusí. Koncentrace draslíku uvnitř buňky je téměř 30x vyšší než venku. Tento stav je udržován kladnou polaritou na vnějším povrchu membrány. Kdyby tomu tak nebylo, ionty draslíku by byly hnány na povrch buňky po směru koncentračního spádu. Přesně tento děj se odehrává při depolarizaci buňky, kdy je polarita membrány porušena. Pro ionty sodíku je membrána polopropustná, dovnitř vnikají ionty pouze v malém množství náhodně otvíranými kanály, ven jsou aktivně vyčerpávány za pomoci sodíko-draslíkové pumpy. Membrána v klidu má tedy díky velké koncentraci Na + na povrchu membrány kladný náboj na vnější a záporný náboj na vnitřní straně. Toto klidové napětí má hodnotu 90 mv. O buňce se říká, že je v elektricky vyváženém a polarizovaném stavu. (Štejfa a kol., 1995) Depolarizace a repolarizace Šířící se vlna elektrického podráždění na okamžik změní propustnost membrány pro ionty Na + (otevřou se napěťově řízené sodíkové kanály) a tím způsobí jejich tok do nitra buňky. Tato 9

10 změna polarity se nazývá depolarizace. V následné fázi dochází k regeneraci buňky. Ionty Na + jsou vyčerpávány ven z buňky a postupně se membrána navrací ke klidovému potenciálu. Jedná se o fázi označenou jako repolarizaci (viz obr. 1) (Štejfa a kol, 1995). Obr. 1 Stav na membráně srdeční buňky: v klidovém stavu (vpravo) je převaha kladného náboje vně buňky; při depolarizaci dochází ke změně polarity a při repolarizaci se stav pomalu navrací do klidového stavu (Khan, 2005). Akční potenciál Šířící se elektrický impulz má formu tzv. akčního potenciálu. Ten se skládá ze čtyř fází. Nultá fáze odpovídá depolarizaci. Membránový potenciál během 1 3 ms vzroste z 90 mv na hodnotu až + 30 mv. Následuje pokles propustnosti membrány pro ionty draslíku a sodíku. Membránový potenciál mírně klesá k nule. Jedná se o první a druhou fázi akčního potenciálu, charakteristický znak pro akční potenciál vláken srdeční svaloviny. Je to úsek řádově stovek ms, kdy je tok iontů přes membránu téměř vyrovnán. Prochází především ionty Ca 2+ a tato fáze končí právě uzavřením kanálů pro Ca 2+. Zde se do procesu plně zapojuje sodíko-draslíková pumpa, která vyčerpává ionty sodíku ven z buňky proti draslíkovým. V průběhu třetí fáze se membránový potenciál prudce sníží až k obvyklým 90 mv. Jedná se tedy o intenzivní repolarizaci. Poslední, čtvrtá fáze, je stabilní neboli klidová (viz obr. 2) (Khan, 2005). 0 - prudká depolarizace; 1 - rychlá repolarizační fáze; 2 - fáze plateau; 3 - rychlejší repolarizace 4 - pomalá diast. depolarizace; PP - prahový potenciál; KP - klidový potenciál Obr. 2 Akční potenciál komorové kontraktilní buňky (vlevo) a automatické buňky sinusového centra (vpravo) (URL X1). 10

11 Refrakterita Refrakterita je stav, kdy je srdeční buňka nedráždivá. V tomto stavu se buňka nachází určitou dobu po depolarizaci membrány. Sodíkové kanály jsou nefunkční a membránový potenciál není dostatečně velký (záporný). Odlišují se dva základní typy, absolutně a relativně refrakterní fázi. Absolutně refrakterní fáze se registruje od počátku depolarizace přibližně do dvou třetin repolarizace. V tuto dobu nelze vyvolat další depolarizaci ani velmi silným podnětem, proto absolutní. Relativní refrakterní fáze následuje po absolutní, začíná přibližně na hladině 40 mv a končí klidovým potenciálem. V této fázi další depolarizaci vyvolat lze, ale je k tomu potřeba nadprahový impulz. Po dokončení všech fází akčního potenciálu se buňka vrací do svého klidového napětí a při běžném prahovém podnětu dochází k nové depolarizaci. Délka refrakterní fáze je pro buňku velmi důležitou charakteristikou. Je to totiž ochrana před příliš rychlým opakováním vzruchů nebo jejich cirkulaci, návratům a podobným problémům (Štejfa a kol, 1995). Stahy srdce jsou způsobeny vlnou elektrického podráždění probíhající postupně z SA uzlu šikmo síněmi k AV uzlu a odtud dále k Tawarovým raménkům, Hisovým svazkům, Purkyňovým vláknům, až je postupně aktivována svalovina komor směrem k hrotu (viz obr. 3). Jednotlivé buňky síní a komor jsou navzájem propojeny. Srdce proto reaguje systémem vše nebo nic. Při podprahovém podráždění se nestane nic, prahový impulz způsobí vlnu depolarizace, která projde celým srdcem. Obr. 3 Elektrický převodní systém srdce včetně popisu základních částí srdce. (upraveno podle URL X2) 11

12 Primárním centrem automacie srdce je SA uzel. Zde vznikají elektrické impulzy v přibližně pravidelných intervalech. SA uzel nemá žádný klidový potenciál (chybí 4. fáze akčního potenciálu, repolarizaci následuje pomalá spontánní depolarizace), po odeznění jednoho impulzu hned začíná další. Tyto spontánní depolarizace a repolarizace umožňují aktivaci síní a AV uzlu (AV uzel je jediný možný průchod pro signál jdoucí ze síní do komor, síňokomorová přepážka je totiž jinak zcela nevodivá). Na srdeční frekvenci mohou působit hormonální či chemické vlivy nebo též nervová činnost. SA uzel je jako primární centrum automacie nadřazen ostatním částem převodní soustavy srdeční. Jejich cyklus vzniku vzruchu je pomalejší než u SA uzlu a ve zdravém srdci se nemůže projevit. Až při vyřazení SA uzlu přejímá AV uzel jeho funkci (je to sekundární centrum automacie). Impulzy vznikající v AV uzlu jsou pomalejší. Podobně mohou převzít funkci srdeční automacie další části převodní soustavy, které mají ještě pomalejší rytmus. Ostatní buňky kardiomycety, mimo srdeční převodní systém, nemají vlastnost spontánní depolarizace vůbec, musí tedy být aktivovány přicházejícími impulzy (URL 1). AV uzel má delší refrakteritu, díky které zpomaluje elektrické impulzy přicházející z SA uzlu. Získává čas pro naplnění komor při systole síní. Chrání také komory a tím činnost srdce před poruchami síní. Nepropustí totiž abnormálně zrychlené impulzy. Po průchodu AV uzlem již probíhá vlna depolarizace velmi rychle všemi ostatními částmi převodního systému až k buňkám svaloviny komor. Dochází k depolarizaci komor a ke komorové systole (Štejfa a kol., 1995). Elektrická aktivita srdečních buněk se skládá dohromady. V určité chvíli jsou jednotlivé buňky v různé fázi akčního potenciálu a tak se na povrchu membrán vytváří elektrické proudy. Tkáně lidského těla jsou vodivé, proto se napětí přenáší na povrch těla, kde ho můžeme zaznamenat přiloženými elektrodami. Na tomto základě je založeno nejrozšířenější neinvazivní vyšetření srdce, elektrokardiografie (Khan, 2005). 12

13 2. EKG a) Co je to EKG a k čemu slouží EKG je zkratka slova elektrokardiogram. Jedná se o grafický záznam pocházející z přístroje zvaného elektrokardiograf. Metoda vyšetřování srdce pomocí EKG vznikla před více než 100 lety, kdy pan Einthoven uveřejnil své studie o galvanometrickém záznamu činnosti lidského srdce. Jeho pokusy navazovaly na několik předcházejících výzkumů a v pozdějších letech byly dále upravovány a dotvářeny. Počátek 20. století a jméno Einthoven je ale neodlučitelně spojováno s počátky problematiky EKG. Pokus, který byl tehdy zveřejněn je popsán v knize EKG a jeho hodnocení (Khan, 2005): Einthoven zjistil, že srdce člověka je zdrojem elektrické aktivity a zaznamenal ji pomocí dvou elektrod (senzorů) umístěných na obou předloktích a spojených stříbrnou strunou umístěnou mezi oběma póly silného permanentního magnetu. Zjistil, že stříbrná struna se pohybuje synchronně s činností srdce; pro zviditelnění malých výchylek osvětlil strunu ostrým zdrojem světla a stín jejích vlnivých pohybů byl zapisován na pohybující se fotografický papír. Einthoven zapsal vlny i kmity a označil první hladce konturovanou vlnu P, hrotnaté kmity QRS a poslední zapsanou vlnu jako vlnu T. Elektrokardiograf je tedy přístroj fungující na podstatě galvanometru. Zachycuje elektrickou aktivitu srdce pomocí elektrod umístěných na těle pozorované osoby a zaznamenává příslušné výchylky na speciální papír (či elektronicky) pro následnou analýzu a diagnostiku. Metoda vyšetření srdce pomocí EKG je více než sto let stará, přesto je stále nejpoužívanější metodou. Je tomu pro její dostupnost, univerzálnost a spolehlivost. S postupem let se mění především postup hodnocení EKG, tedy přístup k záznamu jestli lékař nejprve zhodnotí frekvenci či délky a hloubky jednotlivých vln, hledá abnormality a pod. Elektrokardiogram se skládá z několika částí. To je způsobeno různou elektrickou činností v jednotlivých oblastech srdce. Vlny depolarizace a repolarizace se pro svou vlastnost velikosti a směru nahrazují vektory. V srdci je popsáno hned několik takových vektorů, každý má několik složek a vzájemně se dále skládají. Při postupu vlny směrem k elektrodě se zaznamenává kladná výchylka a při postupu od elektrody výchylka záporná. Z toho plynou rozdíly záznamu z jednotlivých elektrod podle umístění na povrchu těla (viz kapitola (2. c) 12 svodové EKG). Na obr. č. 4 pozorujeme, že vlna P předchází depolarizaci komor, odpovídá totiž postupné depolarizaci síní. První polovina vlny P znázorňuje průchod pravou síní a druhá polovina síní levou. QRS komplex je spjat s depolarizací komor a tedy s následnou systolou komor. Vlna T znázorňuje repolarizaci komor a jakousi revitalizaci srdce návrat do stavu, kdy může dojít k další depolarizaci. 13

14 Ve své práci se zaměřím na měření QT intervalu pomocí určování vrcholu R vlny a konce či maxima T vlny. K čemu se tedy EKG využívá? K okamžitému odhalení poruch činnosti srdce jako je infarkt myokardu (akutní i například dříve prodělaný), různé arytmie, syndromy a pod. Včasné odhalení některých poruch může zachránit život, proto se lékaři a vědci snaží zefektivnit hodnocení EKG a přehodnocují na co se zaměřit v prvních krocích (Khan, 2005). Obr. 4 Schéma charakteristických kmitů a vln EKG včetně významných sledovaných intervalů (upraveno podle URL X3). b) Interpretace EKG, popis jednotlivých částí Elektrokardiogram se skládá z několika specifických částí. Obecně se popisuje počáteční vlna P, QRS komplex a vlna T. Dále se sledují interval PR, délka QRS, úsek ST a QT interval. Každá složka EKG má svá specifika a význam. Na jejich rozboru v jednotlivých svodech je založeno hodnocení EKG. Vlna P P vlna je první výchylka v EKG. Jedná se o zobrazení postupu elektrické aktivace síněmi. První část P vlny je spjata s depolarizací pravé síně, střední s přechodem mezi pravou a levou síní a konec vlny ukazuje postup vzruchu levou síní. P vlna je malá oblá výchylka. Nestandardní vzhled P vlny v určitých svodech může odhalit především choroby a abnormality funkce síní. 14

15 QRS komplex QRS komplex znázorňuje postup depolarizace svalovinou komor. Mezi jednotlivými svody nalézáme v tomto hrotnatém komplexu velkou variabilitu. Obecně platí, že Q je hluboký kmit dolů, R vysoký kmit nahoru a S opět dolů. Vznik tohoto komplexu je složitý, skládá se z několika vektorů elektrických impulzů procházejících svalovinou obou komor a mezikomorové přepážky. Podle umístění jednotlivých elektrod vzhledem ke směru protékajícího proudu se daném svodu zaznamenává kladná nebo záporná výchylka. Velikost výchylek je dána velikostí el. proudu, úhlem umístění elektrody k danému vektoru a vzdáleností elektrody. Hodnocením QRS komplexu v jednotlivých svodech lze odhalit srdeční infarkt, blok jednoho z Tawarových ramének nebo srdeční hypertrofie. Na podobě QRS komplexu v jednotlivých svodech se nejvíce projevuje rotace srdce proti či po směru hodinových ručiček. Rotace srdce je jeho fyziologická vlastnost a neznačí žádné nemoci či poruchy. Lékař hodnotící EKG musí rotaci odhalit a své závěry tomu přizpůsobit. Jednotlivé vektory totiž při pootočení srdce míří k jiným svodům a podoba QRS komplexu se změní. Vlna T T vlna je u většiny lidí poslední výchylkou záznamu EKG. Následuje těsně po QRS komplexu a značí repolarizaci komor. V čase, kdy se zapisuje výchylka vlny T, již probíhá mechanická systola komor. Vlna T má zaoblený široký tvar a směr výchylky odpovídá převažující výchylce QRS komplexu, protože vlna repolarizace následuje vlnu depolarizace. Důležitým faktem pro hodnocení T vlny je spotřeba energie při pochodech souvisejících s jejím vznikem. Jedná se především o sodíko-draslíkové pumpy přečerpávající ionty Na + na svá původní místa vně membrány při repolarizaci buněk svaloviny. Díky tomuto propojení se spotřebou energie nalézáme značnou fyziologickou variabilitu T vlny v závislosti na nejrůznějších vnitřních i vnějších okolnostech. Kniha EKG a jeho hodnocení (Khan, 2005) uvádí: Podle Levina existuje přibližně 67 příčin změn tvaru vlny T, jako třeba pití ledové vody, polykání jídla, cvičení, hladovění, infekční onemocnění, horečka, tachykardie, anoxie, šok, poruchy iontové rovnováhy, acidóza, alkalóza, hormonální poruchy, subarachnoidální krvácení nebo drogy a vliv alkoholu. Jak vyplívá z předchozího popisu, vlna T je velmi variabilní a její hodnocení značně nejisté a obtížné. Hodnotí se inverzní chování v jednotlivých svodech, velikost voltáže či elevace úseku ST. Tvar T vlny se mění při obrovském množství srdečních poruch, ale též fyziologických stavů a nemocí se srdcem nepřímo souvisejících. Při pozorném hodnocení kombinovaném s dalšími 15

16 projevy a nálezy se může T vlna použít k diagnostice, ale jen v minimu případů se jedná o jednoznačný diagnostický znak. Vlna U U některých lidí lze na EKG za T vlnou rozeznat ještě jednu oblou mělkou vlnu, nazvanou vlna U. Její původ není zcela jasný a pro nízkou výchylku ji můžeme v některých svodech nalézt jen obtížně. V záznamu EKG s U vlnou QT interval často nelze detekovat. Interval PR Vlna P značí průchod elektrického impulzu od SA uzlu skrze síně směrem k AV uzlu. Kmit R je součástí QRS komplexu, značí depolarizaci svaloviny komor. Úsek PR musí tedy zobrazovat průchod impulzu mezi AV uzlem a komorami. Tento interval lékaře informuje o tom, za jaký čas projde elektrický impulz AV uzlem, Hisovým svazkem, Tawarovými raménky a Purkyňovými vlákny až k svalovině komor. Poruchy a abnormality intervalu PR značí blokády AV uzlu či dalších částí převodní soustavy. Za normálních okolností se nepozná, kde přesně blokáda je. Pro přesnou lokalizaci se zavádí elektrody zevnitř. Úsek ST Jedná se o vzdálenost mezi koncem QRS komplexu a začátkem T vlny. Všechny části komor jsou v tuto chvíli depolarizovány. Kniha EKG a jeho hodnocení (Khan, 2005) uvádí:...jde o fázi, v níž jsou vyrovnány elektrické síly končící depolarizace a počínající repolarizace, jež se navzájem neutralizují.. Zavádí se zde pojem junkční bod, což je místo, kde úsek ST začíná (končí QRS komplex). Tvar úseku ST je popisován jako plynulý přechod bez ostrého úhlu a tendencí k vodorovnosti. Na odhalení patologie úseku ST by se měl lékař podle nových schémat soustředit již v prvních krocích hodnocení EKG. Odhaluje totiž závažná a častá onemocnění, jako akutní infarkt myokardu (AIM), srdeční ischemii či perikarditidu. Tento úsek je v literatuře nejčastěji spojován právě s AIM, kde je včasné odhalení životně důležité. Interval QT QT interval se měří od začátku kmitu Q nebo obecně od začátku QRS komplexu do konce vlny T. Zahrnuje tedy elektrickou depolarizaci komor a jejich následnou repolarizaci. Jelikož se délka komplexu QRS mění jen minimálně, většinou je změna délky QT intervalu interpretována jako porucha na úrovni repolarizace komor, tedy návratu tkáně do aktivovatelného stavu. 16

17 Krátký nebo dlouhý QT interval může diagnostikovat některé vrozené syndromy. Prodloužení intervalu způsobuje též mnoho léků a další vlivy. Podrobněji se problematikou QT intervalů zabývám v kapitole (3.) Význam QT intervalu. (Khan, 2005) c) 12 svodové EKG Obraz elektrické činnosti srdce je závislý na umístění elektrody na povrchu těla. V oblasti hrudníku a zad se napětí mění s každým centimetrem na rozdíl od končetin, které se chovají jako lineární vodiče. Naměříme tedy stejné hodnoty na rameni jako na zápěstí. V dnešní době se nejčastěji používá dvanáctisvodové EKG. Skládá se ze tří zesílených unipolárních končetinových svodů, tří bipolárních končetinových svodů a šesti hrudních svodů. Dvanáct svodů nám poskytuje dvanáct různých pohledů na srdce a jeho aktivitu (viz obr. 5). Prvních šest svodů je končetinových. Popisují aktivitu srdce ve frontální rovině těla. Šest hrudních svodů pohled na elektrickou činnost srdce vhodně doplňuje, pokrývá horizontální rovinu těla. Jak bylo dříve zmíněno pro všechny svody platí pravidlo, že pohyb elektrického signálu směrem k elektrodě zanechává kladnou výchylku a směrem od elektrody výchylku zápornou. Tím je způsoben výrazný rozdíl mezi záznamy z jednotlivých svodů. Obr. 5 Příklad změřeného signálu EKG. Shora: krevní tlak měřený kontinuálně z prstu, srdeční zvuky, svody I, II, III, avr, avl, avf, V1,V2,V3, V4, V5 Zesílené unipolární končetinové svody avr, avl, avf Základní unipolární končetinové svody kolem srdce tvoří trojúhelník. Jsou označovány jako avl, avr a avf. Písmena L, R a F značí umístění. L levá horní končetina, R pravá horní končetina a F levá dolní končetina (viz obr. 6 vpravo). Na pravou dolní končetinu se z pravidla 17

18 umisťuje uzemňovací neutrální elektroda. Tyto končetinové svody jsou označovány jako unipolární, ale ze samotné podstaty galvanometru musí být měřeno napětí mezi dvěma místy. Odtud písmeno V voltáž, označující tzv. referenční svod svorku, která spojuje dohromady svody L, R a F (URL 1). Jak je patrné již z názvu, původní unipolární končetinové svody byly zesíleny. Postup pana Goldbergera v roce 1942 zvýšil voltáž Wilsonových unipolárních svodů až o 50 %. Z tohoto důvodu bylo do názvů připojeno písmeno a z anglického augmented = zesílené (Khan, 2005). Elektrická depolarizace se šíří směrem od SA uzlu k hrotu srdce, tedy šikmo doleva a dolů. Z toho plyne, že svod avr zaznamenává převážně záporné výchylky a avf kladné. Elektroda na levé horní končetině je k srdeční ose bokem, můžeme zde proto najít malou pozitivní výchylku nebo dokonce obě vyrovnaně (Hampton, 2007). 6 končetinových svodů Obr. 6 Umístění končetinových svodů popisující elektrickou aktivitu srdce z pohledu frontální roviny: vlevo umístění bipolárních končetinových svodů (pohled na srdce); vpravo místa měření unipolárních konč. svodů (upraveno podle URL X4). Bipolární končetinové svody I, II, III Bipolární končetinové svody vznikají propojením jednotlivých unipolárních svorek. Například svod I ukazuje rozdíl napětí mezi horními končetinami. Umístění vzhledem k srdci je takové, že svod I je po levé straně kus pod levou paží, svod II vlevo od levé dolní končetiny a svod III vpravo od levé dolní končetiny (viz obr. 6 vlevo). Svody II, III a avf společně hledí na spodní stranu srdce a z nich měřené EKG má společné prvky. Při některých vyšetřeních se nepoužívá dvanáctisvodové EKG a je potřeba vybrat jen dva nejvýznamnější končetinové svody. V těchto případech se z pravidla používají svody I a avf (Khan, 2005). 18

19 Hrudní, prekordiální svody V 1 V 6 Na rozdíl od končetinových svodů jsou hrudní svody lokalizovány v horizontální rovině. Je jich šest a poskytují nám další cenné pohledy na elektrickou činnost srdce, obecně z přední a levé strany. Elektrody jsou oproti končetinovým svodům blíže k srdci a proto není potřeba signál nijak zesilovat. První dva svody jsou umístěny nad pravou komorou, svody V 2 a V 3 blízko mezikomorové přepážky, V 4 hledí na hrot srdce a V 5, V 6 se nachází z boku k levé komoře podobně jako končetinové svody I a avl (viz obr. 7). Je velmi důležité dbát na přesné umístění jednotlivých elektrod. Pokud dojde k chybě, třeba i relativně malému posunu, může být výsledný záznam změněn a vést k falešným diagnózám (Hampton, 2007). Obr. 7 Přesné umístění 6 hrudních svorek v okolí srdce (URL X5) 12 svodů EKG a T vlna Tvar T vlny se stejně jako tvar QRS komplexu mění podle umístění elektrody podle svodu použitého pro analýzu. Jedním z důvodů, proč pro měření používat 12 svodů EKG, je možnost správného výběru svodu pro detekce. Existuje více způsobů výběru, ale ten nejčastěji využívaný je prohlédnutí signálu ve všech svodech a zvolení toho, kde je záznam nejlepší má nejlepší tvar konce T vlny. Druhým důvodem pro měření dvanáctisvodového EKG je potřeba všech kanálů pro některá speciální měření jako je zjišťování QT disperze (počítají se rozdíl nejmenší a největší délky QT intervalů mezi svody). Na obrázku č. 8 je dobře vidět změna tvaru T vlny napříč jednotlivými svody. V některých svodech je T vlna nedetekovatelná, v jiných výrazně profilovaná. Ve všech svodech, kde lze T vlnu detekovat, je její konec přibližně ve stejném místě. Variabilita konce T vlny napříč svody se pohybuje většinou do 15 ms a v rámci jednoho 19

20 záznamu je případné podhodnocení či nadhodnocení svodu konstantní. Pro měření dynamických relativních změn velikosti QT intervalů je proto tento jev zcela zanedbatelný. Obr. 8 Příklad zobrazení EKG svodů přes sebe. Jedná se o stejný záznam, jako byl použit v obrázku č. 5. EKG je zobrazeno tak, jak bylo digitalizováno. Obsahuje tedy rušení. Je zde patrný vliv 50Hz signálu sítě. Z obrázku je zřejmý proměnný tvar T vlny v jednotlivých svodech a v tomto případě i konec všech T vln přibližně v jednom místě. Schopnost detekce konce T vlny v určitém svodu se mění v závislosti na charakteru měření. Například při zátěži se může tvar T vlny značně změnit a to odlišně v různých svodech. Následující obrázek (obr. 9) ukazuje záznam EKG v klidu a při zátěži ve dvou různých svodech. Je zde patrná změna tvaru konce T vlny při zátěži v prvním svodu. Takový signál nelze detekovat. Obr. 9 Porovnání dvou EKG svodů v klidu (horní dvojice) a při zátěži (dolní dvojice). Signál EKG je filtrován propustným pásmem Hz. Z obrázku je patrné, že v případě svodu I došlo při zátěži k výrazné změně T vlny. Detekce konce je v tomto případě nemožná. To neplatí pro svod V2, kde i v případě zátěže lze T vlnu spolehlivě detekovat. 20

21 3. Význam QT intervalu QT interval je úsek mezi začátkem komplexu QRS a koncem T vlny. Zahrnuje depolarizaci a repolarizaci komor, tedy dobu, kdy se membrány buněk myokardu komor postupně elektricky aktivují a navrátí do stavu připravenosti na další elektrický podnět. V praxi se délka depolarizace mění jen minimálně, změny v intervalu QT jsou tedy lokalizovány především v části JT (konec QRS komplexu až konec T vlny). Znamená to, že při pozorování změn délky QT intervalu, jde o problematiku doby trvání repolarizace komor (Khan, 2005). Délka QT intervalu se mění s velkým množstvím fyziologických i vnějších příčin. Mluvíme o čistě fyziologických změnách v souvislosti například s dechem či fyzickou aktivitou, vrozených vadách či vlivu nemocí a léků (Couderc a kol., 2008). Je zde patrná výrazná nepřímá závislost na srdeční frekvenci (viz obr. 10). Se zvyšující se frekvencí se interval zkracuje, k tomu ale dochází s určitým zpožděním po změně frekvence (např. zvýšená zátěž). Z toho plynou problémy dlouhého QT intervalu, protože při rychlé změně frekvence může dojít k překryvu T vlny a následující P vlny resp. R vlny a vzniku arytmií. Pro eliminaci vlivu srdeční frekvence a snadnější hodnocení QT intervalů se zavádí tzv. korigovaný QT (QT c ), přepočítaný na jednotnou délku RR intervalů 1 sekunda. Ve většině starších studiích se pro tento přepočet používá jedna z jednoduchých univerzálních rovnic. Například Bazettova formule, kde se délka QT dělí druhou odmocninou RR či Fridericiova formule, kde je použita třetí odmocnina RR (Durdil, 2009). Bylo však prokázáno, že závislost QT a RR intervalů je pro každého člověka trochu jiná a proto je přesnější pro stanovení vztahu RR a QT použít víceparametrické funkce (Halámek a kol., 2010a). Obr. 10 Změna délky QT intervalu v závislosti na srdeční frekvenci. Zdravý dobrovolník. RR interval (modře) se zkracuje se zvýšením srdeční frekvence (nástup zátěže), délka QT intervalu (zeleně) následuje změnu RR s cca 5x menší amplitudou (na obrázku jsou jiná měřítka pro RR a QT). 21

22 Nefyziologické příčiny prodloužení intervalu QT jsou účinky některých léčiv (antiarytmika, psychofarmaka, antimikrobiální látky, antihistaminika, ale i kokain), vliv chybějících minerálů (draslík, vápník, sodík), ischemie myokardu, vrozená vada a další. Prodloužení intervalu QT může způsobit vznik komorových tachykardií, synkop i náhlých úmrtí. K extrémnímu zkrácení QT intervalu dochází vzácněji, též se zde zvyšuje riziko tzv. náhlé srdeční smrti. Jednou z příčin je vrozený syndrom krátkého QT (Durdil, 2009). V otázce vrozených vad se nejčastěji mluví o syndromu dlouhého nebo krátkého QT intervalu. Jde o dědičné a velmi různorodé mutace genů souvisejících s délkou repolarizace membrány. Délka repolarizace je závislá na složité kaskádě dějů na membráně. Kationty sodíku, draslíku a vápníku jsou v pravý čas transportovány ven či dovnitř skrze vysoce specifické napěťově vrátkované kanály. Pokud se křehká rovnováha těchto dějů někde naruší, může to vést ke změně délky jakékoliv fáze akčního potenciálu, tedy též repolarizace membrány. Nejčastějšími dosud objevenými poruchami jsou mutace genů pro syntézu jednotlivých podjednotek napěťově vrátkovaných kanálů či genů pro syntézu transportních bílkovin, které hotové podjednotky umisťují na jejich místo. Tato problematika je velmi rozsáhlá a stále zde zůstává mnoho nevyjasněných okolností a nezodpovězených otázek (Novotný, 2007). Délka QT intervalu není jediným parametrem, který se v souvislosti s QT sleduje. Dalším důležitým pojmem je QT disperze (QT d ). Jedná se o změnu délky QT intervalů napříč všemi svody EKG. QT disperze je definovaná jako rozdíl mezi nejkratším a nejdelším QT intervalem ve 12 svodech EKG. Je tedy obrazem nehomogenity času repolarizace myokardu komor. Taková nehomogenita může být substrátem pro maligní arytmie (Malarvili a kol, 2005). QT disperze se mění v průběhu dne, proto se některá měření provádějí 24 hodin a počítá se velikost změn a průměrná hodnota. Pacienti po infarktu myokardu, se syndromem dlouhého QT intervalu (LQTS) či hypertropickou kardiomyopatií mají prokazatelně vyšší QT d ve 24 hodinovém průměru, obecně se u nich však hodnoty během dne mění méně (Tsagalou a kol., 2002). Důkladné a přesné hodnocení QT intervalu naráží na problém určení konce T vlny. Ten je definován jako bod, kdy se T vlna vrací k izoelektrické rovině a pokud je v signálu přítomna vlna U, nalézáme konec T vlny v nejnižším bodě křivky mezi vlnami T a U, ale nejčastěji v takovém případě konec T vlny vůbec nelze detekovat. T vlna je problematická ve své závislosti na metabolismus a velké fyziologické variabilitě. Navíc je určení přesného konce vlny v některých záznamech nemožné. Vlna může mít v rušeném signálu zdánlivě více konců, špatný sklon, průběh jakoby bez konce a pod. Stejně tak příliš nízká voltáž je příčinou neschopnosti určení jejího konce (Khan, 2005). Detekce konce T vlny se dlouho prováděla manuálně s využitím zkušeností a schopností poučeného pracovníka. Tento postup je ale pro celou řadu 22

23 vyšetření zdlouhavý a dává příležitost k mnoha chybám či subjektivnímu postupu jednotlivých pracovišť, není tedy příliš vhodný. Ve své práci se zabývám právě problematikou detekce konce T vlny počítačem za pomoci různých specializovaných metod a jejich porovnáním pro konkrétní data. Náhlá srdeční smrt, fibrilace síní, synkopy a Torsade de pointes Při prodlouženém či zkráceném QT intervalu se setkáváme s arytmiemi síní či komor. Krátký QT interval se často vyznačuje častými fibrilacemi síní, oba syndromy potom zvyšují riziko vzniku komorových tachykardií a to především Torsade de pointes a následkem toho výskyt synkop a náhlé srdeční smrti. Pro lepší pochopení uvádím významy jednotlivých arytmií, poruch a problémů. Náhlá srdeční smrt Jako náhlá smrt je označováno úmrtí přirozenou smrtí do jedné hodiny od prvních příznaků. Přívlastek srdeční naznačuje, že příčinou smrti je srdeční porucha. Problematika náhlé srdeční smrti je velmi vážná, protože se netýká pouze starších a nemocných lidí. Jedná se též o případy mladých lidí, dětí či novorozenců. Možnost včasného odhalení rizika náhlé srdeční smrti v souvislosti s délkou QT intervalů a QT disperzí tedy může zachraňovat životy (URL 2). Fibrilace síní Arytmie na úrovni síní. Délka RR intervalů je nepravidelná. Frekvence síní se pohybuje mezi 400 a 700 za minutu a převod do komor je též naprosto nepravidelný (s frekvencí 100 až 180 za minutu). Může se měnit voltáž QRS komplexů (URL 1). Obr. 11 Fibrilace síní (upraveno podle URL X6) Synkopy Pojem synkopa značí případ náhlé krátkodobé ztráty vědomí nejčastěji v důsledku nedostatečného prokrvení mozku. Příčiny můžou být různé, v práci zmiňuji tzv. srdeční synkopy. Tedy ztrátu vědomí způsobenou poruchami funkce srdce, konkrétně uvádím příklad arytmogenních synkop, které vznikají jako následek bradyarytmií nebo tachyarytmií (URL 3). Torsade de pointes Jedná se o komorovou tachykardii, tedy o arytmii, která se vyznačuje zrychlenou srdeční frekvencí (zkrácenými RR intervaly). Projevuje se širokými QRS komplexy s měnící se voltáží a pravidelným střídáním orientace výchylek k izoelektrické rovině. RR intervaly jsou pravidelné a frekvence komor je 200 až 300 za minutu (viz obr. 12). 23

24 Tachykardie trvá většinou pouze 30 až 60 s, po delší době přechází k fibrilaci komor. (Khan, 2005) Obr. 12 Komorová tachykardie typu Torsades de pointes (upraveno podle URL X7) Syndrom dlouhého QT intervalu Jako syndrom dlouhého QT intervalu, neboli LQTS, je souhrnně označováno několik různých genetických poruch se společným fenotypovým projevem. Nejčastějším a nejcharakterističtějším znakem je prodloužení QT intervalu, což zvyšuje riziko vzniku maligních arytmií a jejich následkem vzniku synkop či náhlé srdeční smrti. Většinou se jedná o pacienty bez strukturálního onemocnění srdce. LQTS je jednou z nejznámějších a nečastějších vrozených genetických poruch v oblasti repolarizace komor. Vlivem mutace genu a následné poruše toku iontů přes membránu se prodlužuje doba návratu srdce do vzrušivého stavu. Při přesáhnutí určité délky může dojít k tzv. časným následným depolarizacím, kdy se otevřou depolarizující kanály dřív, než je dokončena repolarizace. Tento stav vyvolá arytmie, vzniká zde sled rychle po sobě jdoucích depolarizací což může vést až ke komorové tachykardii typu torsade de pointes. Příznaky a projevy LQTS jsou různé. Většina charakteristických příznaků nemusí být přítomna a naopak nemusí nutně znamenat přítomnost syndromu. Genetické vyšetření je časově náročné a výsledky nejsou stoprocentně zaručeny, protože se stále objevují mutace dosud neznámých částí genů (cca 50% případů). Pro diagnostiku LQTS bylo proto sestaveno tzv. Schwartzovo skóre. Je to soupis jednotlivých charakteristických příznaků s bodovým hodnocením. Pokud pacient dosáhne určitého počtu bodů (je u něj přítomno více důležitých znaků), přesáhne hranici pravděpodobnosti, že syndromem trpí a je léčen. Mezi hlavní charakteristické příznaky patří prodloužení QT c, synkopy a náhlá srdeční smrt, přidružená hluchota, přítomnost polymorfní komorové tachykardie torsade de pointes, alternans vlny T (různá podoba komplex od komplexu), dvouvrcholová T vlna ve 3 a více svodech, nízká tepová frekvence vzhledem k věku (především u dětí), rodinná anamnéza a pod (Novotný, 2007). Největším problémem LQTS je náhlá srdeční smrt jakožto první příznak syndromu u cca 13 % pacientů. V praxi to znamená, že bez známek nemoci či předchozích problémů, 24

25 bez varování, umírají lidé. Proto je potřebné měřit délku QT intervalů a to především v rodinách, kde se některé z příznaků LQTS v minulosti vyskytly (Piccirillo a kol., 2006). Jednotlivé syndromy zahrnuté ve skupině LQTS jsou rozděleny podle typu mutace a následných rozdílů v projevech. Pro příklad spouštěcím podnětem arytmií u LQTS2 jsou akustické signály jako je zvonění budíku či telefonu. Naproti tomu jiný druh je zase charakteristický nečekaným úmrtím v klidu či dokonce ve spánku. V oblasti LQTS je ještě mnoho nezodpovězených otázek. Je možné, že to není zcela nemoc iontových kanálů, protože ještě nebyla odhalena lokalizace dalších mutací. Zcela určitě se jedná o polygenní záležitost a jednotlivé mutace se mnohdy kombinují (Novotný, 2007). Sekundární syndrom dlouhého QT intervalu takto je označováno prodloužení QT intervalu následkem různých farmak, iontové disbalance či lézí centrální nervové soustavy. Tato problematika je dnes velmi probírána, protože se týká poměrně velké složky populace. Vždy jde o kombinaci více rizikových faktorů, jejichž účinky se skládají dohromady. Před podáním léku prodlužujícího QT interval by měl lékař zjistit, zda daný pacient není již rizikový v dalších oblastech. Mezi rizikové faktory patří: hraniční nebo prodloužený interval ještě před začátkem léčby, hypomagnesemie či hypokalemie, kombinace léků prodlužujících QT, některá onemocnění srdce, ženské pohlaví a vyšší věk. Včasným odhalením lze zabránit zbytečným komplikacím či dokonce úmrtí. Princip sekundárního syndromu dlouhého QT intervalu není zcela jasný. Většinou se jedná o velmi složitý komplexní proces. V malém procentu případů jde o stejný princip jako u vrozeného LQTS, kdy dotyčný zdědil mutaci genu v latentním stavu a danými okolnostmi byla mutace aktivována (Novotný, 2007). Syndrom krátkého QT intervalu Tento syndrom je další genetickou poruchou projevující se změnou délky QT intervalu a strukturálně zdravým srdcem. Dochází zde k výraznému zkrácení doby repolarizace, což můžeme pozorovat jako délku QT intervalu v záznamu EKG pod hranici 300 ms. Nemění se jen délka QT intervalu, typickým znakem je též neschopnost adaptace QT intervalu na zrychlení srdeční frekvence. Nejčastějšími projevy syndromu krátkého QT intervalu jsou fibrilace síní, synkopy či náhlá srdeční smrt napříč celými rodinami. Časté jsou též komorové tachyarytmie. U některých typů syndromu nalézáme v pravých prekordiálních svodech vysokou symetrickou T vlnu bez úseku ST. Jindy se ale vyskytuje naopak pozvolna rostoucí a poté příkře klesající tvar T vlny. Riziko náhlé srdeční smrti je vysoké u všech věkových skupin včetně novorozenců, proto je ta samá genetická mutace někdy označován též jako syndrom náhlé novorozenecké smrti (Drábková, 2003). Je to nemoc genotypově i fenotypově heterogenní. Mutace, související 25

26 s draslíkovými kanály, byly nalezeny na různých místech. Mutace některých rodin nebyly dodnes lokalizovány a jednotlivé fenotypické projevy se též výrazně liší. V některých rodinách je vysoký výskyt náhlé srdeční smrti a synkop a v jiné zase jen síňové fibrilace. Riziko náhlé smrti nebo maligních komorových tachyarytmií je však vysoké u všech. Jako nejčastějším řešením se volí implantabilní kardioverter-defibrilátor (ICD). Především u dětí a novorozenců se musí hledat alternativní způsoby léčby a prevence arytmií různými chemickými látkami a léky, které prodlužují QT interval a zabraňují arytmiím. Některé léky dokonce řeší též vztah mezi QT intervaly a srdeční frekvencí. Tento syndrom nacházíme poměrně vzácně, proto jsou vědecké studie na tuto problematiku podloženy jen malým vzorkem pacientů. Přesto je důležité prověřovat možnost přítomnosti syndromu a měřit QT intervaly především v rodinách s častým výskytem síňových fibrilací či náhlé srdeční smrti a u mladých lidí a dětí při prvním ojedinělém výskytu síňové fibrilace (Borggrefe a kol., 2005). 26

27 4. Přehled nejčastěji používaných metod detekce R a T vlny Postup detekce QT intervalu se skládá z několika částí. V první fázi je třeba signál upravit neboli předzpracovat. Na to jsou použity různé filtry s nastavitelnými parametry. Dále se detekuje zvlášť R vlna a T vlna (konec nebo maximum). Vzdálenost QR se mění jen minimálně, můžeme tedy určit polohu R vlny a přičíst odměřenou vzdálenost k začátku hrotu Q, kterou uvažujeme pro všechny QT intervaly stejnou. Detekce R vlny však není pouze pomocným měřením pro určení QT intervalu. Umožňuje výpočet RR intervalů, tedy přesné určení srdeční frekvence a je základem pro tzv. segmentaci využívanou při detekci konce T vlny. Konec QT intervalu je problematičtější, je potřeba určit přímo konec T vlny což vyžaduje použití složitějších výpočetních metod. Celým postupem detekce QT intervalů se práce podrobně zabývá v praktické části. V této kapitole jsou uvedeny metody detekce R a T vlny používané v programu ScopeWin QT a stručně je zmíněna metoda detekce konce T vlny využívající vlnkovou transformaci, která ve ScopeWinu QT zahrnuta není. Zmíněné metody představují všechny nejčastěji používané postupy detekce konce T vlny. V minulosti tyto metody prošly postupným vývojem a v současnosti je jako standard v lékařství používaná metoda založená na detekci konce T vlny pomocí proložení přímky její sestupnou hranou. a) Metody detekce R vlny Podle vrcholu R vlny Poloha R vlny se nejčastěji určuje za pomoci detekce jejího vrcholu. V případě vysoké R vlny výrazně převyšující ostatní kmity a vlny v EKG prokládáme přímku (detekční hladinu) signálem tak, aby vedla nad všemi P a T vlnami a zároveň pod vrcholy všech kmitů R. Všechna lokální maxima vpravo od průsečíku detekční hladiny s R vlnou jsou zaznamenána jako polohy vrcholů R vln. Program ScopeWin QT rovnou měří RR intervaly a vykresluje je. Umožňuje tím vizuální kontrolu detekce a případné opravy špatně detekovaných úseků. Tato metoda detekce je použitelná obecně pro signál obsahující jeden výrazný kmit převyšující vše ostatní. Pokud je přítomen hluboký kmit Q či S, upraví se data vynásobením -1 a dále detekce probíhá stejně, jako by se jednalo o R vlnu. Jen vzdálenost místa detekce od začátku kmitu Q (začátek QT intervalu) je jiná. Před vlastní detekcí konce T vlny je ve většině případech nutné vrátit signál do původního stavu, detekce totiž vyžaduje kladnou výchylku vlny T. Z obrázku č. 8 je zřejmé, jakým způsobem se mění tvar QRS komplexu v jednotlivých svodech EKG. 27

28 Detekce z derivovaného signálu V některých signálech, typicky pro určité svody, nalézáme QRS komplex s nízkou voltáží kmitu R, vysoké T vlny a pod. Výsledkem je fakt, že nelze stanovit vrcholy R vlny pomocí detekční úrovně v pouze filtrovaném signálu EKG. Velmi často je však kmit R nejostřeji rostoucí/klesající křivka v celém signálu, což nabízí možnost použití derivace. Derivovaný signál má výrazné vysoké píky v místech nejrychlejší změny. Provede se detekce těchto vrcholů proložením detekční přímky (hladiny) stejně jako v první metodě a zaznamenají se hodnoty RR intervalů. Poloha R vlny je nyní detekována v jiném místě. Při rekonstrukci QT intervalů se přičítá vzdálenost mezi místem detekce a začátkem kmitu Q. Tím se eliminuje vliv různé polohy detekce R vlny na délku QT intervalu. Stejný princip je použit pro signály s velmi rychle klesající sestupnou hranou kmitu R. V tomto případě se signál derivuje a následně násobí 1 (viz obr. 13). Detekce v jiném místě R vlny se opět dorovná přičtením jiné vzdálenosti k začátku QRS komplexu. Obr. 13 Místo detekce QRS komplexu je různé v závislosti na zvolené metodě detekce. Program ScopeWin ukazuje místo detekce pro interaktivní odměření úseku QR. Zde detekce R vlny v místě nejrychlejšího klesání. Korelační metoda Většinu běžných signálů lze detekovat jednou z uvedených metod či její modifikací, kdy se pomocí zvolené hladiny odliší výrazný pík R vlny. V případě selhání této detekce se využívá korelační metoda. Tato metoda je založena na přítomnosti charakteristického tvaru EKG. Korelační metoda pracuje tak, že se pomocí dvou vertikálních kurzorů vymezí oblast detekovaného úseku (většinou QRS komplex a T vlna). Tvar křivky mezi kurzory se bere jako výchozí, posouvá se po signálu doprava s krokem jedna (jeden vzorek) a počítá se hodnota korelační funkce (v rozsahu -1, 1). Jak je z popisu patrné, výsledkem této části korelační metody je funkce nová křivka, která má výrazné píky v místech shody tvarů, tedy v místech výskytu QRS komplexu s T vlnou (viz obr. 14). Touto křivkou je proložena přímka a detekce vrcholů 28

29 je provedena analogicky k předešlým metodám. Po detekci je korelační funkce nahrazena původním signálem EKG. Odtud se stanoví vzdálenost mezi místem detekce a kmitem Q. V případě změny tvaru QRS komplexu nebo T vlny či při výrazné změně tepové frekvence se korelace snižuje a může dojít k poklesu korelačního píku pod detekovatelnou mez. Praxe ukazuje, že v takovém případě je velmi často tvar T vlny natolik zkreslený, že nemá význam pokračovat v detekci R vlny. Obr. 14 Korelační metoda. Horní signál: korelační funkce. Dolní signál: analyzovaný záznam EKG. Červený obdélník vymezuje oblast plovoucího okna. b) Metody detekce konce T vlny Konec T vlny je definován jako bod sestupu vlny k izoelektrické linii. Jak bylo uvedeno dříve, při detekci konce T vlny je potřeba řešit mnoho problémů. Morfologie vlny je velmi proměnlivá, nalézá se inverzní výchylka, nedetekovatelně nízké voltáže i tvar sestupu vlny jakoby bez konce. Každý signál je navíc zkreslen výskytem šumu. Ze všech těchto nastíněných problémů plyne potřeba a význam předzpracovávání signálu pomocí filtrů. Před samotnou detekcí konce T vlny se musí zajistit co nejhladší (ale ne příliš zkreslená) a kladná T vlna ideálně s výrazným koncem. Podrobnému popisu procesu předzpracování je věnována kapitola (2. b) Filtry. V rámci přehledu jednotlivých metod je uveden stručný princip detailně nastudované metody detekce konce T vlny pomocí přímky proložené sestupnou hranou T vlny (někdy označováno jako metoda prokládané tečny), která byla používána při praktickém porovnávání vlivu filtrů předzpracování a nastavení jednotlivých parametrů na detekci T vlny. Tato metoda se dlouhodobým měřením a testováním ukázala jako nejúčinnější. Postupnou modifikací a řešením jejích slabých míst byla upravena do poměrně složité podoby, podrobněji popisované v kapitole (2. d) Detekce konce T vlny. Pro srovnání je zde uveden princip dvou jednoduchých 29

30 metod detekce konce T vlny za pomocí přímého hledání minima ve vymezeném intervalu, derivační metody a metody využívající vlnkové transformace. Pro všechny zde uvedené metody platí, že detekce probíhá na segmentovaných datech (dle R vlny). Všechny odměřované vzdálenosti jsou tedy stanoveny k detekované poloze R vlny. Před detekcí probíhá filtrace a vyhlazení EKG signálu. Metoda detekce konce T vlny podle lokálního minima Pomocí dvou vertikálních kurzorů se vymezí oblast pro stanovení lokálního minima tak, aby se tato oblast dala použít v každém segmentu. Dané lokální minimum se ve vymezené oblasti stává globálním minimem, je nalezeno a označeno za konec T vlny. Vstupními daty všech těchto metod je předzpracovaný a segmentovaný signál. Pevné určování oblasti analýzy pro všechny segmenty je místem pro další modifikace metody. Metoda vyžaduje přítomnost minima, tedy poklesu a růstu na vymezeném intervalu. Metoda detekce konce T vlny podle prvního minima Tato metoda pracuje na velmi podobném principu jako předchozí. Pomocí vertikálních kurzorů je určena oblast, kde lze konec hledat. Tento interval je použit pro všechny segmenty. Funkce postupuje od levého vertikálního kurzoru k pravému a hledá minimum. Při nalezení prvního minima prohledávání končí. V mnohých případech může být první minimum zároveň lokální a obě metody dají stejný výsledek (viz obr. 15). Tato metoda též vyžaduje přítomnost alespoň jednoho minima ve vymezeném úseku. Je však citlivější na přítomnost šumu, který může vést k označení špatného minima vzniklého šumem. Výhodou této metody je správná detekce v případě obsahu více minim, kdy to první značí konec T vlny. Obr Obr. 15 Ukázka detekce pomocí hledání lokálního minima 1 a prvního minima 2.Vertikální kurzory vymezují oblast detekce. Jednotlivé segmenty jsou namalovány přes sebe. Je zde patrné v kterém místě signálu metody detekují (vpravo) a jak reagují na šum či nevýrazný konec (vlevo). 30

31 Metoda detekce konce T vlny pomocí tečny Oblast detekce se určuje dynamicky. Tím je zajištěno, že hranice nezkrátí sestupnou hranu vlny T v zátěžové ani klidové části signálu. Aby se ošetřila variabilita T vlny jak časová, tak tvarová, hledá se konec T vlny na zprůměrněném signálu a později se pomocí regresní analýzy vyhledává posun T vln v jednotlivých segmentech od zprůměrněného tvaru. To jsou některé z modifikací detailněji popisovaných v dalších kapitolách. Vlastní detekce se provádí proložením přímky sestupnou hranou T vlny. Konec T vlny je poté stanoven jako průsečík přímky s nulovou izoelektrickou linií. Detekce pomocí tečny je graficky znázorněna na obrázku č. 16. Mechanismus prokládání přímky je poměrně složitý a podrobný popis řešení v programu ScopeWin QT je uveden společně s dalšími modifikacemi v praktické části. Metoda je modifikována tak, aby se vyrovnala s variabilitou morfologie tvaru i časového trvání T vlny, též šum není limitující. Je však nutná přítomnost konce (selhává při tvaru T vlny plynule klesajícímu bez následného stoupání), protože pro definování oblasti prokládání přímky se vyhledávání minima využívá. V takovém případě ovšem selhávají všechny uvedené metody a QT interval se nedá určit. Možným řešením je například metoda detekce maxima T vlny uvedená v praktické části. Obr. 16 Znázornění detekce konce T vlny pomocí přímky prokládané sestupnou hranou T vlny. Derivační metoda Pomocí levého a pravého vertikálního kurzoru se opět určí oblast detekce konce T vlny. Signál EKG je derivován a v oblasti vymezené levým a pravým vertikálním kurzorem je nalezeno globální minimum derivovaného signálu, které značí místo nejrychlejšího klesání sestupné hrany T vlny. Výchylka minima je určena v mv/s a označena jako 100 %. Nulová linie představuje 0 %. Pokud se metoda nastaví například na 20 % (nejčastější implicitní nastavení), je konec 31

32 T vlny detekován v místě poklesu derivace na 20% úroveň (viz obr. 17). Hodnota procenta se nastavuje interaktivně a to v rozmezí 20 5 %. Většinou se zadává 20 % a při špatném výsledku se experimentálně snižuje. Jelikož minimum derivovaného signálu odpovídá místu nejrychleji klesající hrany T vlny a z této hodnoty je vypočítáno a použito určité procento, dalo by se vyhledávání konce touto metodou interpretovat jako určení místa, kde už křivka dostatečně málo klesá narovnává se. Metoda je citlivá na výskyt šumu, který brání přesné detekci hladiny poklesu derivace. Je naopak vhodná pro data s nevýrazně profilovaným minimem, deformovaným průměrem a velkou tvarovou variabilitou jednotlivých T vln. Obr. 17 Princip derivační metody. Derivovaný signál EKG (horní křivka) a zde nalezených 20 % z minima odpovídajících konci T vlny v původním signále (dole). Vlnková transformace Metoda vlnkové transformace je zmíněna pouze pro úplnost, protože tvoří možnou alternativu detekce konce T vlny (Kičmerová a kol., 2006) Tato metoda není součástí programu ScopeWin QT pro detekci konce T vlny a nebyla ani součástí testování. Vlnková transformace umožňuje rozklad signálu do oblasti časově-frekvenční, která kombinuje informaci o čase a frekvenčním obsahu. Proti Fourierově transformaci vychází z charakteristického tvaru-vlnky, není tedy vymezena čistě frekvenčním pásmem (Hejda, 2010). Metoda využívající vlnkovou transformaci je robustní k nízké kvalitě signálu při zachování charakteristického tvaru T vlny (selhává při změně tvaru T vlny i QRS komplexu). Ve srovnání s metodou tečny detekuje delší QT interval se srovnatelnou úspěšností (Kičmerová a kol., 2006). 32

33 Praktická část 1. Popis dat Data, která jsou použita v této práci, byla pořízena Ústavem přístrojové techniky Akademie Věd ČR (ÚPT AV ČR) ve spolupráci s Fakultní nemocnicí u sv. Anny v Brně. Vyšetřeni byli zdraví dobrovolníci všech věkových kategorií (celkem 48 subjektů) a pacienti se začínající hypertenzí (celkem 53 subjektů) ve Fakultní nemocnici u Sv. Anny. Měření byla provedena na základě tzv. HEM protokolu. Součástí tohoto protokolu je informovaný souhlas měřeného subjektu, seznam vstupních informací (jméno, zdravotní stav, životní styl a pod.), datum a čas měření. HEM protokol má mnoho různých výstupů, z nichž se v této práci používají jen záznamy EKG. Současně se ale měří kontinuálně krevní tlak, srdeční zvuky a vícekanálová impedanční kardiografie. Mezi další parametry, které jsou v rámci HEM protokolu sledovány, patří tedy například měření změn srdečního výdeje, šíření tlakové vlny a analýza pružnosti cév, vyšetření regulačních vlastností autonomního nervového sytému nebo analýza vztahu variability krevního tlaku a tepové frekvence. Oblast popisující změny v hemodynamickém systému se využívá pro analýzu QT intervalů, jejich vztah k RR, definici dynamické přenosové funkce a jejích parametrů a analýzu RR-QT v závislosti na změně zátěže srdce (srdečním výdeji) (viz obr. 19). Excitace změn v hemodynamickém systému je zajištěna respiračními, mentálními, zátěžovými a hydrostatickými experimenty. Respirační měření (řízené dýchání) sledují závislost variability tlaku a tepové frekvence na frekvenci a hloubce dýchání, mentální stres zvyšuje periferní odpor vazokonstrikcí cév a tím krevní tlak a tepovou frekvenci a fyzická zátěž zvyšuje krevní cirkulaci a prokrvení končetin a svalů. Hydrostatické měření na nakloněné rovině způsobí nahromadění většího množství krve v dolních končetinách a odpovídající reakci regulačních mechanismů zajišťujících především dostatečné prokrvení mozku. Jde například o vyšetření synkopálních stavů a pod. Součástí HEM protokolu jsou následující měření : rest měření probíhá v klidu 10 minut, dýchání volné tilt6 kombinované měření ve vodorovné poloze a na nakloněné rovině (úhel 75 stupňů), měřený subjekt po celou dobu měření dýchá s frekvencí 6x za minutu, celková doba měření je cca 35 minut 10 minut klid ve vodorovné poloze, sklápění lehátka, 15 minut se sklopeným lehátkem, návrat lehátka, 5 minut ve vodorovné poloze tilt20 dýchání 20x za minutu, průběh měření je analogický k tilt6 dych6_h hluboké dýchání, 6x za minutu, 5 minut, ve vodorovné poloze vleže 33

34 count mentální stres: dýchání volné, na začátku klid, poté 5 minut počítání matematických příkladů, poté klid celkově cca 15 minut mereni1 fyzická zátěž: dýchání volné, střídavě šlapání na kole v leže a klid (klid, šlape, klid, šlape, klid), celková doba měření cca 25 minut (viz obr. 18) Obr. 18 Vyšetřovaný pacient při šlapání na kole (zátěžový test mereni1 z HEM protokolu). Při měření podle HEM protokolu se zaznamenává dvanáctisvodové EKG. Vzorkovací frekvence je 500Hz, tedy v případě tepové frekvence 60 tepů za minutu je k dispozici 500 sejmutých vzorků na jeden tep, vzdálenost vzorků je 2 ms. Záznam EKG se analyzuje pomocí programu ScopeWin QT a zde generované textové soubory jsou použity jako výchozí pro další zpracování v MATLABu, kde jsou například počítány parametry přenosová funkce mezi RR a QT intervaly. V programu MATLAB jsou také prováděna veškerá statistická zpracování, detekce maxima T vlny a další měření a výstupy podle aktuálních cílů a zaměření pracoviště. Pro detekci QT intervalu se používá metoda detekce konce T vlny pomocí tečny s dynamickou změnou okrajových parametrů podle aktuální délky tepového intervalu. Obr. 19 Dynamická změna QT (zelená) a RR (červená) intervalů v závislosti na změnách srdeční činnosti: při mentálním stresu (nahoře), fyzické zátěži (uprostřed) a sklopení lůžka (dole). 34

35 2. Postup detekce QT intervalu v programu ScopeWin QT Detekce QT intervalu v programu ScopeWin QT zahrnuje mnoho dílčích kroků. Na začátku je digitalizovaný rušený signál vzniklý experimentálním měřením ve Fakultní nemocnici u sv. Anny v Brně, na konci statistické výstupy, vědecké výzkumy, závěry o QT intervalech a jejich vlastnostech. V následující kapitole je blíže popsáno, co všechno taková detekce zahrnuje. a) Výběr kanálu a stanovení parametrů Prvním krokem k analýze QT intervalu je výběr příslušného kanálu a jeho načtení do programu ScopeWin QT. V tomto případě je kanál vybírán opticky podle kvality signálu (hodnoceno podle tvaru konce T vlny), někdy jsou pro testování použity postupně všechny kanály. Lze také zvolit vypočtené záznamy, vzniklé kombinací několika nejvhodnějších kanálů či pomocí metody hlavních komponent a následných úprav (Halámek a kol., 2010a). Před spuštěním filtrů a předzpracováním signálu je potřeba v textových souborech zkontrolovat nastavení parametrů filtrů a hodnot detekčních parametrů charakteristických pro zvolenou metodu detekce konce T vlny. V této práci je vždy využita metoda detekce pomocí přímky proložené sestupnou hranou T vlny (kromě případů testování a porovnávání jednotlivých metod). b) Filtry Primární signál je potřeba upravit, aby se co nejlépe detekoval konec T vlny. Jako u každé jiné úpravy signálu se však musí myslet na to, aby se ztratilo minimum užitečné informace a signál nebyl příliš znehodnocen. Základním filtrem je frekvenční propust. Ze signálu, převedeného do frekvenční oblasti pomocí rychlé furierovy transformace (FFT), jsou odstraněny nízké i vysoké frekvence. Horní hodnota se nemění a je nastavena na 48 Hz. Tato hranice sice zasahuje do frekvenčního spektra užitečného signálu EKG, ale pro účely této práce není způsobená chyba problematická. Klady takového nastavení jsou ve filtraci větší části rušení myopotenciálů a především síťového rušení na hladině 50 Hz (viz obr. 21, 22). Spodní hodnota frekvenční propusti je pohyblivý parametr experimentálně určen jako nejvýhodnější mezi 0,5 a 1,5 Hz. V 90 % případů se používá 0,8 Hz, vyšší hodnoty jsou voleny, když je potřeba zvýraznit tvar konce T vlny. Odstraněním nízkých frekvencí vymizí především kolísání celkového průběhu signálu vlivem dýchání (viz obr. 20). Tento filtr má pravoúhlou frekvenční charakteristiku, což znamená, že daný pás frekvenčního spektra filtr vyřízne ostře a úplně. Úplné odstranění vyšších frekvencí způsobí zvlnění původního signálu na ostrých hranách, tedy též v místě konce T vlny, což je pro jeho určování nežádoucí. Proto se používá jako další filtr vyhlazovací okénko, které nemá pravoúhlou frekvenční charakteristiku. 35

36 Obr kanál (nahoře) původní signál EKG, 2. kanál (dole) filtrace nízkých frekvencí zmizí především vliv dýchání. Použit filtr Hz. Vyhlazení dat vyhlazovacím okénkem se nazývá smooth. Vyhlazovací okénko dobře odstraní zvlnění signálu, ale poměrně výrazně snižuje ostré kmity a vlny (viz obr. 21, 22). Používá se proto až po segmentaci dat, která je založena na detekci R vlny (snížení R vlny detekci komplikuje). Filtrace vyhlazovacím okénkem má pozvolnou charakteristiku a vyšší frekvence filtruje jen částečně, tím odstraní zvlnění signálu na ostrých hranách vyhladí konec T vlny. Velikost vyhlazovacího okénka je nastavitelný parametr a jeho velikost byla v rámci této práce také testována. Nejčastěji se používá 20 vzorků, při vzorkovací frekvenci 500 Hz (vzdálenosti jednotlivých vzorků 2 ms) se jedná o šířku okénka 40 ms. Vyhlazování funguje tak, že místo původní hodnoty daného vzorku je dosazena průměrná hodnota získaná ze zadaného počtu vzorků okolo podle vztahu (1). Následně se okénko posouvá a opět průměruje. Tento princip je důvodem, proč smooth vyhlazuje ostré hrany a snižuje výchylku kmitů. Vztah pro aritmetický průměr Pj je počítaná hodnota pro j-tý vrozek, n je počet bodů pro zprůměrnění, X i hodnota EKG (mv) odpovídající i-tému bodu. Vždy se počítá průměr z n/2 bodů kolem zjišťovaného vzorku. (1) Následující obrázky demonstrují vliv použití jednotlivých filtrů popisovaných výše na podobu signálu EKG. Pro výraznější ukázku byl použit zátěžový záznam. 36

37 Obr. 21 Vliv horních filtrů na zátěžový signál EKG. Filtry jsou postupně přidávány: EKG, filtr (1. kanál); filtr 0-0.8, 48-max (2. kanál); filtr 0-0.8, 48-max, vyhlazeni přes 20 bodů (3. kanál) Obr. 22 Vliv stejných filtrů jako v obr. 21. Původní signál zátěžového EKG (černá), filtrace nízkých frekvencí (hnědá), filtrace vysokých frekvencí (červená) a vyhlazení pomocí smooth 20 (růžová). Velmi specifickým typem rušení je indukce elektrického napětí na vodičích vlivem průtoku střídavého proudu kabely jednotlivých přístrojů v místnosti, kde se měření provádí. Možným řešením je kompletní odstínění místnosti a využití stejnosměrného proudu (zdroj baterie), ale to je technicky poměrně náročné. Proto se u většiny signálů ve frekvenčním spektru vyskytuje výrazný pík na 50 Hz (viz obr. 23) a jeho harmonické. V časové oblasti se toto rušení projevuje jako výrazné zvlnění signálu (viz obr. 24). Filtrace síťového rušení je možná buď selektivním filtrem pouze pro 50 Hz včetně násobků a jejich okolí (protože je potřeba odfiltrovat též vyšší harmonické složky a rušení není vždy přesně na 50 Hz) nebo snížením horní hranice frekvenční propusti na 48 Hz, jak je použito v rámci této práce. Účinek selektivní filtrace je vidět na obrázku 24. V případě použití selektivních filtrů je potřeba zvážit původ analyzovaného signálu, protože například v USA a Kanadě mají síťové rušení na 60 Hz. 37

38 Obr. 23 Frekvenční amplitudové spektrum signálu EKG s výrazným píkem na hladině 50 Hz síťové rušení Obr. 24 Selektivni filtr pro Hz pro odstranění základní harmonické složky síťového rušení. Šedá křivka značí původní EKG signál, černá filtrovaný. c) Detekce R vlny segmentace EKG, kontrola detekce Než dojde k detekci R vlny a segmentování signálu, je potřeba změřit parametry pro výpočet dynamických hranic oblasti pro vyhledávání konce T vlny. Pomocí kurzorů se odměří vzdálenost RR (vrchol R vlny a vrchol následující R vlny) a RT (vrchol R vlny a konec T vlny) v klidové části EKG. Odečtené hodnoty v ms se uloží pro pozdější použití, kdy z nich program dopočítá funkci pro dynamickou změnu hranic oblasti detekce konce T vlny. Tento postup nahradil pevné nastavování hraničních parametrů pomocí kurzorů, protože veliký rozdíl srdeční frekvence mezi klidem a zátěží může při pevném nastavení způsobit chybné detekce (do oblasti pro detekci T vlny se dostane následující P vlna a pod.). Poté se provede detekce R vlny. Jednotlivé metody jsou již popsány v přehledu metod. Nyní je potřeba jednu z uváděných metod použít, případně vyzkoušet různé a porovnat výsledky. Nastaví se detekční hladina tzv. treshold, která vede ideálně pod všemi vrcholy R vln 38

39 a nad všemi ostatními vrcholy (především nad maximem T vlny). Na základě této nastavené hranice je provedena detekce R vln a následná segmentace signálu. Vlastní segmentace probíhá tak, že program vezme časovou pozici R vlny a na obě strany přičítá určitý přednastavený (pro celý záznam EKG pevně daný) úsek. Segmenty se řadí za sebou a podle délky RR intervalů mohou obsahovat jednu nebo více R vln, důležitá je však vždy ta první. Program ScopeWin QT umožňuje optické pozorování segmentace, kreslí RR intervaly i jednotlivé segmenty. To je prostor pro kontrolu správnosti detekcí. RR intervaly jsou vykreslovány za sebou (v závislosti na čase) do obrázku se zvýrazněnou hladinou 1 s (viz obr. 25 nahoře). Pokud se mezi podobně vysokými výchylkami objeví dvojnásobná hodnota nebo mezera, znamená to chybnou detekci R vlny v patřičném místě signálu. Kontrola segmentace probíhá vykreslováním jednotlivých segmentů přes sebe při zachování časové posloupnosti. První segmenty jsou kresleny černě, poté přes červenou zesvětlují až na žlutou. Na konci se zobrazí ještě zvýrazněný průměrný signál (viz obr. 25). Tato funkce umožňuje odhalit variabilitu signálu, kvalitu segmentace, chyby detekce R vlny a pod. Obr. 25 Segmenty EKG překreslené přes sebe, průběh v čase značí odlišné barvy (od černé po žlutou), nahoře okno, schématicky znázorňující délku RR intervalů opět řazené v čase. d) Detekce konce T vlny Než se spustí samotná detekce konce T vlny, je potřeba odečíst vzdálenost mezi místem detekce QRS komplexu a začátkem kmitu Q ve zprůměrněném segmentu. Tento interval je přímo závislý na volbě metody detekce R vlny. Při detekci pomocí záporné derivace je hranicí bod nejstrmějšího klesání vpravo od vrcholu, při základní detekci pomocí vrcholu bude použit přímo vrchol apod. 39

40 Metodu detekce konce T vlny lze volit, v našem měření je použita metoda proložení tečny s níže popsanými modifikacemi. Vstupními daty pro detekci konce T vlny jsou vyfiltrovaná, segmentovaná data s kladnou T vlnou (v případě záporné T vlny je signál EKG násoben -1). Segmenty jsou stejné délky a umožňují vzájemné porovnávání jednotlivých T vln (malování přes sebe) a automatickou detekci parametrů T vlny. Nastavení oblasti detekce - dynamická změna hranic při detekci Před samotnou detekcí konce T vlny je třeba stanovit hranice. Jsou zadány tři parametry QTgainL, RRm a RTm. Tyto parametry umožňují dynamicky během detekce měnit hranice intervalu pro nalezení konce T vlny. Tato dynamická změna je důležitá především při velkých změnách tepové frekvence. V takovém případě může dojít k tomu, že při porovnání EKG z klidové oblasti a z oblasti s maximální tepovou frekvencí dochází k překryvu T vlny a P vlny následujícího tepu. Při konstantních hraničních podmínkách může detekce přeskakovat například na P vlnu a výsledek je zcela chybný. QTgainL koeficient definuje vztah velikosti změny RR a QT za statických podmínek. Je definován vztahem QTgainL = 100*( QT/ RR). Jedná se o procentuální změnu QT intervalu. Například při změně RR o 200 ms a QT o 40 ms bude QTgainL = 20 %. Tato hodnota není při zadávání přesně známa. Implicitně se nastavuje na 20 %, což je údaj nejčastěji odpovídající. Další dva parametry RRm a RTm udávají skutečné hodnoty vzdáleností RR a RT. Tyto hodnoty byly dříve graficky interaktivně odměřeny na klidové fázi EKG. Pomocí kurzoru byl stanoven interval mezi sousedícími vrcholy R vlny RRm a interval mezi vrcholem R vlny a koncem T vlny RT. Konec T vlny v tomto případě definuje konec oblasti pro detekci tedy hranici, proto je stanoven cca 40 ms za konec běžně detekovaný tečnou. Pomocí těchto tří parametrů lze odhadovat orientační délku QT intervalu podle vzdálenosti RR, která je pro každé dva sousední tepy počítána. Hranice detekce konce T vlny se tedy dynamicky zkracuje nebo prodlužuje v závislosti na srdeční frekvenci. Při špatném nastavení parametru QTgainL může dojít k protnutí křivky definující hraniční podmínku a křivky definující konec T vlny. V tom případě se dostane konec T vlny mimo detekovanou oblast a detekce je chybná. Program ScopeWin QT umožňuje grafickou kontrolu průběhu obou křivek a případné opakování detekce pro jinou hodnotu QTgainL. Detekce konce T vlny na zprůměrněném signálu Zátěžový signál EKG je často zkreslený vlivem pohybových artefaktů, myopotenciálů, přechodových odporů apod. Tyto artefakty lze částečně eliminovat zprůměrněním. Při detekci QT intervalu lze nastavit počet po sobě jdoucích tepů (segmentů) pro zprůměrnění (detekovaná vlna je uprostřed). Čím je tento parametr vyšší, tím je T vlna hladší a lépe detekovatelná. To ale 40

41 platí pro ustálený stav tepové frekvence. Při postupné změně tepu dochází ke změně polohy i morfologie T vlny, zprůměrněný tvar je deformován a nemusí odpovídat typickému tvaru T vlny. Z tohoto důvodu je proveden výpočet histogramu rozložení RR intervalů v segmentech pro zprůměrnění. Krok histogramu je 100 ms. Do zprůměrnění jsou poté zahrnuty pouze ty RR intervaly, které připadnou do úseku s největším počtem RR intervalů. Tím je zaručena tvarová stabilita zprůměrněné T vlny. Jako optimální počet tepů pro zprůměrnění byla na základě testování na klidových i zátěžových datech stanovena hodnota 20. Ukázala se jako nejlépe vyhovující všem podmínkám. Na zprůměrněném signálu T vlny je provedena detekce jejího konce. Detekce se provádí proložením regresní přímky sestupnou hranou T vlny. Konec T vlny je poté stanoven jako průsečík tečné přímky s nulovou linií (viz obr. 26). Pomocí metody nejmenších čtverců je poté srovnáván tvar zprůměrněného signálu s tvarem analyzované T vln a podle zjištěných parametrů posunutí je upravena poloha detekovaného konce T vlny. Prokládání přímky sestupnou hranou T vlny Jak již bylo několikrát zmiňováno, konec T vlny je nalezen jako průsečík přímky proložené sestupnou hranou T vlny a nulovou linií. Způsob, kterým se tato přímka prokládá, zahrnuje několik dílčích kroků. Nejprve je potřeba určit hranice proložení přímky. Výchozím bodem v pravé části je konec oblasti pro detekci konce T vlny určený jako dynamický parametr (popisováno výše). Z tohoto místa je nalezeno první minimum směrem doleva (k hraně T vlny) a označeno jako pravý bod pro proložení přímky. Z tohoto důvodu je nutný tvar konce T vlny obsahující minimum. Pokud je konec T vlny neustále klesající až za hranici oblasti detekce, je za minimum označena právě tato hranice a detekce mohou být chybné či nepřesné. Levá hranice je určena obdobně. Výchozím bodem se stává hranice implicitně nastavená mezi 100 a 150 ms za místem detekce R vlny (QRS komplexu). Tento bod vždy padne na vzestupnou hranu T vlny a není důležité, kam přesně. Pro hranici určující proložení přímky je vyhledáváno první maximum vpravo od výchozího bodu, při dostatečně vyhlazeném signálu jde přímo o maximum T vlny. Takto bylo určeno maximum a minimum mezi kterými je potřeba proložit přímku. Pro přesnější výsledky se tyto hranice ještě jednou korigují a to procentuálním posunutím po časové přímce. Procentuální časové posuny obou hranic jsou nastavitelné parametry a jejich implicitní hodnota byla již dříve experimentálně určena jako 20%. Výsledky testování vlivu nastavení těchto parametrů jsou uvedeny v kapitole (4.) Vliv detekčních parametrů metody prokládané tečny. Jako střed přímky se bere místo nejrychlejšího klesání hrany T vlny odpovídající minimální derivaci. Pomocí takto určených tří bodů je metodou 41

42 nejmenších čtverců (metoda lineární regrese) proložena přímka sestupnou hranou T vlny a určen konec QT intervalu v místě jejího průsečíku s nulovou linií. Princip prokládání přímky je znázorněn na obr. 26. Obr. 26 Způsob prokládání přímky sestupnou hranou T vlny. Detekce posuvu T vlny Nyní máme detekovaný konec zprůměrněné T vlny. Dále je třeba stanovit vzájemný posuv zprůměrněné a analyzované T vlny tak, aby detekovaný konec T vlny odpovídal skutečnému posuvu. K tomuto účelu se využívá postup v několika krocích: Prvním krokem je základní detekce posuvu. Vymezí se oblast kolem maxima zprůměrněné T vlny (zpravidla -60, +60ms lze parametricky nastavit). V této oblasti proběhne vyhledání posuvu T vlny ke zprůměrněné T vlně metodou nejmenších čtverců. Provádí se posuv vlevo a vpravo s krokem jeden vzorek. Program pomocí metody nejmenších čtverců nalezne pozici (posun v horizontálním časovém směru) T vlny s nejmenším rozdílem amplitud mezi tvarem signálu v segmentu a zprůměrněným signálem. Ve druhém kroku dochází k vertikálnímu sjednocení amplitudy. Protože šířka T vlny a tedy i její patka mohou být různé, je třeba korigovat posuv podle této vlastnosti. To se děje následujícím způsobem. Provede se vynásobení T vlny koeficientem tak, aby její amplituda v maximu byla shodná s T vlnou zprůměrněného signálu. Poté se v polovině výšky stanoví vzdálenost obou vln. Tato vzdálenost se bere jako další korekce konce T vlny. Po přizpůsobení amplitud se znovu opakuje první krok (posun v horizontálním směru). Skutečný posuv T vlny je stanoven jako kombinace výsledků všech třech předcházejících kroků a použit pro korekci místa konce T vlny v segmentu a konce T vlny průměrného signálu. 42

43 Popsaný mechanizmus detekce T vlny se může zdát relativně složitý. Dlouhodobé zkušenosti s detekcí a používáním tohoto algoritmu ale potvrdily jeho spolehlivost a minimální chybovost. Velkou výhodou tohoto algoritmu je interaktivní grafické prostředí, které umožňuje jednotlivé kroky sledovat, ověřovat a korigovat. e) Detekce QT intervalu, kontrola výsledků V této fázi detekce jsou již k dispozici veškeré potřebné informace pro sestavení QT intervalů a jejich vizualizaci. Signál je segmentovaný, v každém segmentu je určena poloha R vlny a konce T vlny. Vzdálenost QR (podle zvolené metody detekce R vlny) se mezi jednotlivými segmenty nemění a byla dříve změřena a uložena. Při určitém nastavení lze podobně jako u segmentace a měření RR intervalů sledovat průběh detekce QT intervalů. Postupně se vykreslují dva obrázky. Jeden značí velikost QT intervalů v závislosti na čase (v jednotlivých segmentech) a druhý ukazuje přímo segmenty a v nich místo, kde program detekoval konec vlny (viz obr. 27). Oba obrázky umožňují optickou kontrolu správnosti detekce. Obr. 27 Kontrola detekce QT intervalů. Délky QT intervalů v čase (nahoře) a přesné místo detekce v jednotlivých segmentech (dole). Výstupů detekce QT intervalů ve ScopeWinu QT je několik. Program zobrazuje například průběh změn QT intervalů a RR intervalů nebo segmentované EKG. Lze označit místa hranic segmentů (hranice) a místa detekce konce T vlny (značky). Tyto grafické výstupy jsou znázorněny na následujícím obrázku (obr. 28). 43

44 Obr. 28 Výstupy detekcí QT intervalů v programu ScopeWin QT. Vlevo: 1. kanál záznam segmentovaného EKG, 27. kanál RR intervaly, 31. kanál QT intervaly. Vpravo: zvětšený záznam z 1. kanálu segmentované EKG. Jak již bylo zmíněno, jednou z hlavních výhod takové vizualizace je kontrola správnosti detekce. Zde je možnost nalézt chybné detekce a opravit je či označit za chybné, aby nebyly zařazeny do dalšího zpracování a analýz probíhajících v programu MATLAB. f) Generování textového souboru Z jistého hlediska nejdůležitějším výstupem celé analýzy QT intervalů ve ScopeWinu QT je vygenerování textového souboru. Po dokončení celé detekce je všechna potřebná informace o časových polohách jednotlivých významných bodů, délkách intervalů a dalších detailech uložena v podobě textového souboru pod názvem charakterizujícím původní signál. Tento soubor je načten programem MATLAB a zde dále zpracován. g) Zpracování v programu MATLAB Program MATLAB umožňuje nejrůznější analýzy a statistické zpracování signálu EKG. V další části této práce je podrobněji popsáno konkrétní využití MATLABu pro hledání maxima T vlny v EKG signálu. Dalšími výstupy mohou být statistické výpočty, určení parametrů dynamické přenosové funkce mezi RR a QT intervaly a pod. 3. Vliv předzpracování na detekci QT intervalů Jak již bylo popsáno v podrobném postupu detekce QT intervalu, předzpracování primárního signálu hraje velmi důležitou roli a skládá se z výběru svodu, základní filtrace frekvenční propustí, dalšího vyhlazení pomocí filtru smooth, průměrování celých vln a pod. Výsledky filtrace se mohou s nastavením jednotlivých parametrů velmi výrazně lišit, proto bylo potřeba experimentálně určit nejlepší hodnoty, které odpovídají většině signálů. Tyto hodnoty budou nadále používány při detekcích jako výchozí a jejich nastavení se změní při selhání detekce či špatných výsledcích. Jelikož se jedná o testování vnitřních parametrů metod, které se ručně přenastavují podle charakteru signálu, často není možné provádět statistické vyhodnocení 44

45 vzhledem k tomu, že hodnocení výsledků může být subjektivní. Šlo spíše o vyzkoušení různých nastavení, vysledování trendů a zvolení hodnot odpovídající většině analyzovaných signálů. V rámci této bakalářské práce byly testovány tři parametry vztahující se k vyhlazení a filtraci dat: dolní hranice frekvenční propusti v základní filtraci, počet bodů pro plovoucí okénko vyhlazení smooth a počet vln pro zprůměrnění před detekcí konce T vlny. Dolní hranice frekvenčního pásma Pro použití filtru založeného na frekvenční propusti je potřeba nastavit dva parametry označující dolní a horní hranici pásma. Horní hranice se v rámci měření QT intervalů na Ústavu přístrojové techniky nastavuje implicitně na 48 Hz. Volba dolní hranice závisí na charakteru dat a účelu konkrétní analýzy. Chování filtru při různém nastavení dolní hranice frekvenční propusti bylo testováno pro hodnoty 0.5, 0.75, 1, 1.25 a 1.75 Hz. Ukázalo se, že čím vyšší hodnota se použije, tím je více vyprofilován konec T vlny a výrazněji se snižuje vrchol R vlny. Hodnotu filtru též ovlivňuje tepová frekvence. Při nižších tepových frekvencích je třeba volit i nižší filtry. Jelikož každá filtrace s sebou nese ztrátu informace, je potřeba volit jakýsi kompromis. Na základě grafických výsledků bylo rozhodnuto, že pro většinu dat se nejvhodnější nastavení pohybuje mezi 0,75 a 1,00. V 90 % případů je proto jako implicitní nastavení při analýzách používána hranice 0,8 Hz. Na obrázku č. 29 je ukázka signálu, kdy nastavení dolní hranice filtrace 0,75 ještě nedostatečně profiluje konec T vlny, kdežto 1 Hz již dobře. Obr. 29 Vliv nastavení dolní hranice filtrační propusti. Signál EKG pochází z klidové části záznamu a byl vyhlazen filtrem smooth přes 20 bodů. Testované hodnoty parametru: 0.5 Hz (černá), 0.75 Hz (zelená), 1.0 Hz (červená), 1.25 Hz (modrá), 1.75 Hz (žlutá). 45

46 Počet bodů pro vyhlazení filtrem smooth Filtr smooth neboli vyhlazovací okénko se používá pro vyhlazení signálu na ostrých hranách. Díky pozvolné frekvenční charakteristice umožňuje odstranění šumu bez vytvoření umělého zvlnění (takové zvlnění vzniká odstraněním vyšších harmonických složek užitečného signálu). Princip filtrace vyhlazovacím okénkem spočívá v dosazení průměrné hodnoty z několika po sobě jdoucích vzorků. Počet vzorků pro zprůměrnění bylo potřeba určit experimentálně. Opět se jedná o parametr pohyblivý, ručně nastavovaný. Hodnota zjištěná jako nejlepší tedy není zavazující a pro data s odlišným charakterem lze použít jiného počtu bodů. Základním problémem této filtrace je výrazné zaoblování hran a tedy rozšiřování a snižování ostrých vln a kmitů (viz obr. 20). Výrazné snížení R vlny se řeší použitím vyhlazovacího okénka až po její detekci a segmentaci signálu. Pro zjištění vlivu nastavení počtu bodů pro zprůměrnění byly použity hodnoty 10, 20 a 30 vzorků. Na obrázku č. 30 je vidět, že nízké hodnoty zachovávají podobu signálu, ale nedostatečně vyhlazují konec T vlny. Příliš vysoké hodnoty naopak zdeformují signál. Jako nejčastěji vhodný počet bodů pro zprůměrnění se ukázala hodnota 20. Jelikož byla použita vzorkovací frekvence 500 Hz, odpovídá šířka vyhlazovacího okénka 40 ms. Obr. 30 Vliv filtru smooth. Data jsou klidová, vyhlazena filtrem 1 48 Hz. Zobrazeny jsou EKG bez filtru smooth (černá) a EKG s vyhlazené přes: 10 bodů (tmavě červená), 20 bodů (červená) a 30 bodů (světle červená). Při použití vysokého počtu bodů je vidět výrazné snížení R vlny. Počet vln pro zprůměrnění Pomocí předchozích filtrů nelze odstranit veškerý šum, který je v datech obsažen. Jedním z dalších cest k vyhlazení dat je zprůměrnění několika po sobě jdoucích vln. Chyby a rušení mají přibližně náhodný charakter, výchylky se střídají do kladného i záporného směru, a proto se součtem vln značné množství šumu vyruší. Užitečný signál přitom zůstane s jistými riziky 46

47 zachován. Tento způsob vyhlazení je použit až na konci procesu detekce QT intervalu a to pouze pro vlastní detekci konce T vlny. Konec T vlny je určen na zprůměrněném signálu a následně podroben korekcím aby co nejlépe odpovídal konci na původní analyzované vlně. Pro částečnou automatizaci detekce bylo potřeba zjistit, kolik vln je vhodné do průměrování zařadit ve většině případů, tento počet je v dalších analýzách použit jako výchozí. Sledovalo se, jaký vliv má počet segmentů zahrnutých do průměrování na výslednou detekci konce T vlny a tedy délku QT intervalu. Na následujících obrázcích jsou QT intervaly detekované postupně na průměrné T vlně z 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 30 a 50 po sobě jdoucích segmentů. V obr. č. 31 jsou překresleny výsledky v reálném měřítku do jednoho obrázku. Jak je patrné z překryvu, počet segmentů pro zprůměrnění neovlivňuje délku QT intervalu. Z hlediska testování je zajímavější obrázek č. 32. Zde jsou pro lepší názornost křivky posunuty pod sebe. Opět si můžeme povšimnout, že délky QT intervalu se mění nezávisle na hodnotě parametru. Čím více vln bylo zahrnuto, tím se objevuje méně chyb detekce (protože byla vlna hladší a konec výraznější). S rostoucí hodnotou též klesá výskyt šumu, což svědčí o přesnější a správnější detekci konce T vlny. Obecně by se tedy dalo říci, že je z hlediska analýzy nejvhodnější zařadit do zprůměrnění co nejvíce segmentů (na obrázcích níže by bylo vhodné použití i všech 50 tepů). To by však bylo možné pouze u signálu EKG, kde se výrazně nemění srdeční frekvence a tvar T vlny zůstává srovnatelný. V případě postupných změn v průběhu signálu s nástupem zátěže je potřeba změny zaregistrovat a promítnout do výsledků měření. Zde by průměrování přes příliš mnoho vln mohlo ovlivnit výsledky. Opět je tedy potřeba volit jakýsi kompromis, hledat takovou hodnotu parametru, kdy bude signál dostatečně vyhlazen a variabilita signálu zůstane zachována. Implicitně se nastavuje hodnota 20, která vykazuje dobré výsledky ve většině případů a na rozdíl od vyšších hodnot je zde předpoklad dynamické reakce na rychlou změnu tvaru T vlny. Obr. 31 QT intervaly, určené metodou prokládané tečny, při různém počtu vln zahrnutých do zprůměrnění před detekcí konce T vlny. Použité hodnoty: 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16, 20, 30, 50 jsou barevně odlišené. 47

48 Obr. 32 Stejné výsledky jako v obr. č. 31, záznamy jsou od sebe posunuty, aby byly viditelné křivky QT intervalů a seřazeny podle hodnoty parametru černá pro 2 vlny, tyrkysová pro 50 vln. 4. Vliv detekčních parametrů metody prokládané tečny Při detekci konce T vlny metodou proložení přímky sestupnou hranou T vlny je potřeba nastavit dva parametry. Jedná se o hodnoty procentuálního posunu hraničních bodů, pomocí nichž je prokládána přímka. Nyní byly testovány dva pohledy na problematiku. Nejprve se zkoušelo, jaký vliv bude mít symetrické nastavení pro různé hodnoty procentuálního zkrácení. Testováno bylo posunutí o 10, 20, 30 a 40 % ve smyslu zkrácení (levý bod se posouvá doprava a pravý doleva). Na obrázku č. 33 jsou vykresleny výsledné QT intervaly pro jednotlivá nastavení parametrů. Je vidět zanedbatelné zkrácení QT intervalů při výraznějším zúžení oblasti pro proložení přímky. To je způsobeno větším sklonem prokládané regresní přímky. Tento posuv je velmi malý a nemění se v závislosti na nástupu zátěže, což svědčí o možnosti výběru jakékoliv hodnoty parametrů. Kratší oblast pro prokládání přímky bude zřejmě citlivá na špatně detekovatelný průběh T vlny s vysokým obsahem šumu. Velmi blízko maxima a minima by mohlo být proložení regresní přímky také zkresleno, proto bylo jako implicitní nastavení doporučeno 20 % z každé strany (k proložení přímky je využito 80 % sestupné hrany T vlny). 48

49 Obr. 33 Vliv nastavení oblasti prokládání přímky sestupnou hranou T vlny na délku detekovaného QT intervalu. Použité hodnoty procent zkrácení byly: 10 (zelená), 20 (šedá), 30 (červená), 40 (černá). Následně byl zjišťován vliv asymetrického nastavení parametrů, pro následující kombinace procent 10 a 60, 20 a 50, 30 a 40, 40 a 30, 50 a 20, 60 a 10. Hlavním důvodem byla potřeba zjistit, zda tento výběr výrazně neovlivňuje délku detekovaného QT intervalu a jestli jsou případné změny konstantní pro celý záznam. Při použití části přímky více vlevo, neboli nahoře (například nastavení 10 a 60 %), byl naměřen nepatrně delší QT interval než při použití opačného extrému (60 a 10 %). Zkracování bylo opět velmi malé, systematické a pro všechny části signálu stejné, jak ukazují dva přiložené obrázky níže (obr. 34, 35). Potvrdily se očekávané závěry, že vliv asymetrického nastavení je nevýrazný a symetrické posunutí je z hlediska implicitního nastavení nejvhodnější. Obr. 34 Vliv asymetricky zvolené oblasti prokládání přímky sestupnou hranou T vlny na délku QT intervalů. Použité kombinace procent 10 a 60 (černá barva), 20 a 50 (červená), 30 a 40 (šedá), 40 a 30 (zelená), 50 a 20 (žlutá), 60 a 10 (modrá) 49

50 Obr. 35 Stejná data jako v obr. č. 34. Křivky pro jednotlivé nastavení parametrů jsou posunuty pod sebe pro možnost prohlédnutí průběhu. 5. Porovnání vybraných metod detekce konce T vlny Každá metoda detekce konce T vlny má svá specifika, je vhodnější pro určité typy dat a určuje konec na trochu jiném místě signálu. To je způsobeno rozdílným algoritmem metody či její robustností k výskytu šumu, nestandardnímu průběhu T vlny, proměnlivému tvaru T vlny apod. Pro ucelené porovnání kvality detekce konce T vlny byly vybrány všechny 4 metody používané na Ústavu přístrojové techniky AV ČR a to metoda přímky prokládané sestupnou hranou T vlny, obě metody hledající minimum a derivační metoda. Pro 12 zdravých dobrovolníků byl určen QT interval postupně všemi čtyřmi metodami. Detekce probíhaly ve svodu II v klidové a v zátěžové části vyšetření mereni1 z HEM protokolu. Zvolené parametry filtrace byly 0,8 a 48 Hz hranice frekvenční propusti a smooth přes 20 bodů. Na klidové a zátěžové oblasti byly určeny základní statistické parametry QT intervalů průměr a směrodatná odchylka pro každou metodu a každého pacienta zvlášť (viz tab. P1, tab. P2). Úseky označující hranice klidu a zátěže se liší pro měřené subjekty a jsou stejné pro jednotlivé metody (viz obr. P1). Z grafů, popisujících průměrné délky QT intervalů detekované jednotlivými metodami, je patrné zkracování QT intervalu metodou prokládané tečny. Pro lepší přehlednost jsou zde uvedeny pouze výsledky při zátěži, kde se rozdíl jeví větší (viz obr. 36). Grafy, týkající se testování metod v klidovém úseku, jsou pro srovnání k dispozici v příloze (viz obr. P2-P5). 50

51 600 QT interval - zátěž QT/ ms P rvní minimum L okální minimum Derivac e Tečna ID osob Obr. 36 Průměrné hodnoty QT intervalů pro jednotlivé měřené subjekty (1-12) a 4 metody detekce. Hodnota QT intervalů je stanovena jako aritmetický průměr ze všech detekovaných hodnot ve vymezeném intervalu. Intervaly se liší pro měřené subjekty a jsou stejné pro jednotlivé metody. Statistická významnost rozdílů v délce QT intervalů byla testována pomocí softwaru MATLAB. Jelikož výsledky měření tak malého počtu subjektů nejsou normálně rozloženy (viz obr. P6) a všechny metody jsou postupně použity na stejná data (párový design), byl pro srovnání jednotlivých metod vybrán neparametrický znaménkový test (Anděl, 2002). Aby byla při vícenásobném testování udržena chyba prvního druhu pod kontrolou, byla použita tzv. Bonferroniho korekce, kdy se každý test provádí na hladině významnosti alfa/ počet testů. Tento přístup je díky malému počtu srovnávání doporučen v literatuře (Hebák a kol., 2004). Výsledky statistického srovnávání jednotlivých metod průměrné délky QT směrodatné odchylky klid zátěž klid zátěž dvojice metod p-hodnota (významné, když je < ) Tab. 1 Tabulka výsledků testování metod (první minimum 1; lokální minimum 2; derivace 3; tečna 4). Testovány byly všechny dvojice metod pro zátěž/ klid a pro průměry/ směrodatné odchylky. Použit byl neparametrický znaménkový test a Bonferroniho korekce hladiny významnosti. Zvýrazněné p-hodnoty odpovídají statisticky významným rozdílům. 51

52 Jednotlivým metodám byla přiřazena identifikační čísla 1-4 v tomto pořadí: první minimum, lokální minimum, derivační metoda a metoda prokládané tečny. Nulová hypotéza byla pro klidový i zátěžový test shodná délka QT intervalů všech 12 pacientů se nemění s volbou metody detekce neboli medián každé dvojice porovnávaných skupin je shodný. Na hladině významnosti 0,05/ 6 = 0,0083 vyšly při zátěži statisticky významné rozdíly mezi délkou měřeného QT intervalu metodami: 4 1, 4 2, 4 3 a 2 3 (viz tab. 1). Na vykresleném krabicovém grafu jsou rozdíly v mediánech pro jednotlivé metody dobře vidět (viz obr. 37). Prokázalo se tedy významné zkracování metodou prokládané tečny a též rozdíly mezi derivační metodou a metodou hledání lokálního minima. Můžeme si však všimnout, že zde zkrácení není tak veliké. V klidové části jsou rozdíly mezi jednotlivými metodami nižší, protože se v záznamu EKG vyskytuje méně chyb a rušení, které způsobují problémy detekce konce T vlny některými metodami. Z tabulky testů je na hladině významnosti 0,0083 významný pouze rozdíl mezi 3. a 4. metodou (viz tab. 1). Obr. 37 Krabicový graf. Hodnoty QT intervalů určených 4 různými metodami detekce. 12 zdravých dobrovolníků, zátěžový úsek EKG při mereni1 z HEM protokolu. Otázku, kterému místu signálu doopravdy odpovídá konec repolarizace komor, která metoda detekuje pro praxi nejlépe, je potřeba konzultovat s lékaři. Pro účely sledování dynamických změn QT intervalů není tento problém důležitý. Je zde ale potřeba určit, jak je daná metoda robustní, s jakou přesností QT interval určí. K tomu byla použita analýza směrodatných odchylek průměrných hodnot QT intervalů sledovaného úseku EKG (zátěž/ klid) pro daný měřený subjekt a metodu. Nejrobustnější metody mají směrodatnou odchylku menší. Graf směrodatných odchylek při zátěži ukazuje výrazně přesnější detekci metodami využívající derivaci a prokládání přímky. Je zde také dobře vidět, že metody hledající minimum jsou velmi závislé na charakteru 52

53 analyzovaného EKG, protože u některých osob měřily relativně přesně a jinde naopak (viz obr. 38). Směrodatná odchylka QT - zátěž SD/ ms ID osob P rvní minimum L okální minimum Derivac e Tečna Obr. 38 Průměrné hodnoty směrodatných odchylek QT intervalů pro jednotlivé měřené subjekty a zvolené metody detekce. Pro testování shodnosti směrodatných odchylek pro jednotlivé metody byl opět použit neparametrický znaménkový test. Výsledky jsou zahrnuty v Tab. 1. Na hladině významnosti 0,0083 se prokázaly statisticky významné rozdíly mezi všemi dvojicemi metod kromě kombinace 1 2 (obě metody vyhledávající minimum) a to v klidové i zátěžové části signálu. Rozdíly mediánů jednotlivých metod i veliký rozptyl u metod hledajících minimum jsou dobře patrné na krabicovém i na klasickém spojnicovém grafu (viz obr. 38, 39) Obr. 39 Krabicový graf. Hodnoty směrodatných odchylek QT intervalů určených 4 různými metodami detekce. 12 zdravých dobrovolníků, zátěžový úsek EKG při mereni1 z HEM protokolu.. 53

54 6. Detekce maxima T vlny v prostředí MATLAB Standardním určováním konce QT intervalu je detekce konce T vlny pomocí jedné z metod popisovaných v přehledu metod detekce. Některé metody jsou implementovány v programu ScopeWin QT a jejich účinnost byla ošetřena různými modifikacemi a zvýšením kvality předzpracování signálu. Všechny čtyři výše srovnávané metody, včetně standardní metody prokládání přímky sestupnou hranou T vlny, vyžadují profilovaný konec T vlny. V některých signálech se nepodaří konec T vlny nalézt (tvar konce T vlny neustále klesající za hranice oblasti detekce) a detekce selhávají nebo jsou velmi nepřesné. Jedním z cílů této bakalářské práce bylo vyzkoušet, zda by se dala v selhávajících případech T vlna detekovat podle svého maxima a jakým způsobem to ovlivní výsledek. V programu MATLAB byla vytvořena metoda detekce maxima T vlny. Mým úkolem bylo pochopit danou problematiku, důkladně se seznámit s modifikovaným algoritmem vyvinutým odborníky na Ústavu přístrojové techniky, vyzkoušet kvalitu detekce této metody a porovnat ji s klasickou detekcí konce T vlny na vybraném pacientovi. Interval mezi maximem a koncem T vlny se mění v rámci určitého svodu jedné osoby jen minimálně (Halámek a kol., 2010b). Předpokládá se tedy, že určení QT intervalu pomocí detekce maxima T vlny a přičtení odměřené pevně dané vzdálenosti maxima a konce T vlny by mělo být možné a mělo by dávat dobré výsledky. Úkolem je vyzkoušet detekci QT intervalu podle maxima ve dvou různých měření jednoho pacienta, překreslit QT intervaly detekované v programech ScopeWin QT a MATLAB do jednoho obrázku a na něm diskutovat kvalitu a smysl detekce maxima T vlny. a) Princip detekce maxima T vlny Vlastní detekci maxima T vlny předchází několik nezbytných kroků. Do MATLABu je načten částečně vyhlazený signál EKG (v tomto případě proběhl filtr typu propust 0,8-48 Hz a smooth přes 20 bodů) a informace o místech detekce R vlny a konce T vlny ze ScopeWinu QT. Načtený signál je proložen polynomem 3. stupně pro další zjemnění vrcholu T vlny. V okolí místa detekce R vlny je znovu vyhledán největší extrém QRS komplexu (maximum nebo minimum). Tento postup je nutný z důvodu možného posunutí signálu. Maximum T vlny je hledáno analogicky, vezme se levé okolí místa detekce konce T vlny ze ScopeWinu a zde nalezené maximum je hledaným vrcholem T vlny. Algoritmus detekuje a zobrazuje pouze úsek od vrcholu R vlny k vrcholu T vlny. Pro porovnávání s QT intervaly detekovanými pomocí programu ScopeWin QT je potřeba přičíst příslušné intervaly na obě strany nalezeného úseku (viz obr. 40). Předpokládá se, že QR interval a vzdálenost T max T end se v průběhu záznamu příliš nemění a tak lze tyto oblasti interaktivně odměřit v záznamu EKG. Zanedbatelnost změn v délce úseku QR 54

55 byla mnohokrát ověřena při detekci konce T vlny v programu ScopeWin QT, kde se s tento úsek také přičítá jako fixní vzdálenost. Předpoklad neměnné délky sestupné hrany T vlny byl převzat z již citované studie (Halámek a kol., 2010b) a ověřován až prostřednictvím této práce. Na obrázku č. 40 jsou vyznačeny jednotlivé úseky sestaveného QT intervalu detekovaného metodou hledání maxima T vlny. Obr. 40 Sestavení QT intervalu při detekci úseku od maxima/ minima R vlny k maximu T vlny. b) Použitá data Detekce byla vyzkoušena na dvou záznamech jednoho pacienta. Ve výsledcích měření vlivu mentálního stresu (počítání matematických příkladů) se u tohoto pacienta vyskytoval trvale sestupný tvar konce T vlny, pro detekce byl zvolen 14. kanál (svod V3). Na následujícím obrázku (obr. 41) jsou segmenty překreslené přes sebe, v oblasti červeného zbarvení je jasně patrný popisovaný problém. Pro tento záznam byla očekávána chybná detekce QT intervalu metodou prokládání přímky sestupnou hranou T vlny ve ScopeWinu QT. Tvar T vlny se jeví bez větších nepravidelností či problémů a metoda detekce maxima T vlny by mohla být úspěšná. Je to tedy přesně ten případ, pro který byla metoda detekce QT intervalů pomocí hledání maxima T vlny programována. Obr. 41 Překreslené segmenty EKG v záznamu měření count (mentální stres). Použitý svod V3. Data jsou vyhlazena základním filtrem (0,8 48 Hz) a smooth 20. V místě červené křivky (odpovídá zátěžové části EKG) špatně profilovaný konec T vlny. 55

56 Druhý záznam pochází od stejného pacienta, ovšem ze zátěžového měření (pacient byl střídavě v klidu a šlapal na kole). Záznam byl vybrán pro vysoký obsah šumu v datech způsobený charakterem měření a velkým rozdílem v srdeční frekvenci. Pro detekce byl použit 15. kanál (svod V4). Obrázek překreslených segmentů nasvědčuje bezproblémové detekci pomocí tečny, metoda hledání maxima by mohla až na několik problematických míst fungovat též dobře (viz obr. 42). Na tomto signálu by se tedy mohly projevit rozdíly mezi oběma metodami, případné chyby v předpokladech a pod. Obr. 42 Překreslené segmenty EKG v záznamu mereni1 (fyzická zátěž). Použitý svod V4. Data jsou vyhlazena základním filtrem (0,8 48 Hz) a smooth 20. V celém průběhu záznamu se vyskytuje dobře profilovaný konec T vlny. c) Výsledky detekce maxima T vlny v prostředí MATLAB V průběhu každé detekce maxima T vlny v programu MATLAB jsou pro umožnění grafické kontroly generovány obrázky, které jsou na ukázku umístěny v příloze. První zobrazuje informace převzaté z programu ScopeWin QT. Při načítání signálu může dojít k posuvu, proto ne vždy konce T vlny odpovídají reálnému konci. Z obrázku si však lze udělat dobrou představu o místě detekce QRS komplexu a případném výskytu chyb v detekci (viz obr. P7). Na druhém obrázku jsou již detekce provedené v programu MATLAB, tedy přesná detekce R vlny a maxima T vlny (viz obr. P8). Třetí obrázek ukazuje RR a QT intervaly detekované v programu MATLAB v různém přiblížení (viz obr. P9) a na posledním je totéž, ale převzato ze ScopeWinu QT (viz obr. P10), což umožňuje srovnání. Jak již bylo řečeno v úvodu, v programu MATLAB byly detekovány pouze dynamicky se měnící intervaly RT max. Sestavený QT interval zahrnuje přičtení vzdáleností QR a T max T end odměřených z klidové části měření a použitých pro celý záznam. QT interval ze ScopeWinu byl sestavován pomocí detekce RT intervalů přičtením pouze vzdálenosti QR. 56

57 Mentální stres - count Prodloužení QT intervalů se zrychlující se srdeční frekvencí (viz obr. P10) není za běžných okolností fyziologicky možné a tento jev značí selhávání metody tečny. Byl tedy potvrzen předpoklad problematické detekce vysledovaný z tvaru konce T vlny na překreslených segmentech. Oproti tomu si lze povšimnout správného trendu zkrácení QT intervalu se zrychlením srdeční frekvence při detekci maxima T vlny (viz obr. P9). Na obrázku č. 43 jsou zobrazeny délky QT intervalů určené metodou tečny ve ScopeWinu QT a metodou hledání maxima T vlny v programu MATLAB. Data pocházejí z měření EKG při mentálním stresu (počítání matematických příkladů). Rozdíl délky QT intervalů určených oběma metodami i naprosto chybná detekce metody prokládané přímky (červená) je zde dobře vidět. Obr. 43 Délka QT intervalů v zátěžovém měření count (mentální stres) určená dvěma různými metodami detekce (prokládání přímky sestupnou hranou T vlny červená; hledání maxima T vlny zelená). Prodloužení QT intervalu s nástupem zátěže (prostřední část) není fyziologicky možné a značí chybu detekce metody prokládané přímky. Fyzická zátěž mereni1 Překreslení délek QT intervalů určených oběma metodami v druhém záznamu (měření při střídavé fyzické zátěži) potvrdilo očekávání dobré detekce obou metod (viz obr. 44). Překvapujícím zjištěním je odlišná detekce v místě prudkého zrychlení srdeční frekvence s nástupem zátěže. Tento rozdíl byl nadále analyzován a ukázalo se, že v daném místě neplatí předpoklad, že úsek T max -T end je přibližně konstantní pro celý signál. Lze vypozorovat, že ve zbylé části záznamu tento předpoklad platí. 57

58 Obr. 44 Délka QT intervalu v zátěžovém měření mereni1 (fyzická zátěž) určená dvěma různými metodami detekce (prokládání přímky sestupnou hranou T vlny červená; hledání maxima T vlny zelená). Rozdíl mezi výsledky detekce v místě prudkého nástupu zátěže značí nehomogenní chování jedné z metod. Přeměřením délek různých intervalů souvisejících s délkou T vlny pro jednotlivé úseky signálu (klidový, prudký nástup zátěže, maximální zátěž a opět klidový) se ukázalo zajímavé chování úseku T max -T end. Ten se totiž přizpůsobil změně srdeční frekvence pružněji a lépe než celá T vlna. Bylo měřeno časové trvání sestupné hrany T vlny a získány tyto hodnoty: černá klid 94 ms; fialová prudký nástup zátěže 82 ms; červená maximální zátěž 94 ms; žlutá klid 96 ms (viz obr. 45). Na těchto výsledcích je vidět, že velikost intervalu T max -T end se výrazně zmenšila právě a jen v místě prudkého nástupu zátěže. Obr. 45 Segmenty vybraných úseků EKG překreslené přes sebe. Klidová část černá, prudký nástup zátěže fialová, zátěž červená a opět klid žlutá. Takový grafický výstup umožňuje interaktivní odměřování jednotlivých úseků pomocí kurzorů v programu ScopeWin QT. 58