Информативные параметры динамической нестационарности кардиосигналов

Abstract

RU: Современная электрокардиография, несмотря на качественное улучшение в аппаратном обеспечении и возможности обработки данных, на сегодняшний день практически исчерпала ресурс получения дополнительной диагностической информации. В статье сделана попытка создания нового метода обработки электрокардиограмм на основе использования модели ЭКГ-сигнала, которая учитывает пьезоэлектрический эффект в некоторых биологических тканях и клеточных соединениях (кровь, стенки сосудов). Цель работы. Вероятностное обоснование возможности формирования принципиально новых информативных диагностических признаков, использующих частотно-временную корреляцию между двумя вейвлет-спектрами ЭКГ-сигнала и его линейного преобразования. Метод. В качестве экспериментальной модели используется аддитивная модель потенциала сердечной мышцы (наведенного электрического поля) и пьезоэлектрического потенциала системы «кровь-сосуды», вызванного сокращением миокарда. Для выделения влияния вызванного потенциала в работе предложен метод линейного преобразования ЭКГ-сигнала, обладающий высокой чувствительностью к локальной спектральной нестационарности. Для реализации этого метода использовано вейвлет-преобразование и предложен количественный показатель спектральной нестационарности ЭКГ-сигнала – коэффициент нормированной межспектральной корреляции (КНМК). Разработанный математический аппарат в работе использован для анализа двух электрокардиографических сигналов, условной нормы и с последствием инфаркта миокарда. Результаты. В результате рассчитанных КНМК показана возможность количественного различия этих состояний с достаточно высокой статистической достоверностью. Базовым результатом работы является вероятностное обоснование возможности формирования принципиально новых информативных диагностических признаков, использующих частотно-временную корреляцию между двумя вейвлет-спектрами ЭКГ-сигнала и его линейного преобразования. Высокая чувствительность и информационная значимость корреляционных диагностических признаков подтверждены примерами дискриминации параметрически неоднородных ЭКГ-сигналов. Выводы. Теоретически и экспериментально подтверждена спектральная нестационарность кардиосигнала; получена функциональная связать спектральной нестационарности ЭКГ-сигнала с эффектами квантованности скорости его изменения; разработан метод параметрического определения коэффициента межспектральной корреляции, позволяющий количественно описать динамику локально-спектральных изменений кардиосигнала для задач автоматического экспресс контроля и диагностики кардиосостояний и проведена его апробация. UK: Сучасна електрокардіографія, незважаючи на якісне поліпшення в апаратному забезпеченні та можливості обробки даних, на сьогоднішній день практично вичерпала ресурс отримання додаткової діагностичної інформації. У статті зроблена спроба створення нового методу обробки електрокардіограм на основі використання моделі ЕКГ-сигналу, яка враховує п’єзоелектричний ефект в деяких біологічних тканинах і клітинних з’єднаннях (кров, стінки судин). Мета роботи. Вірогіднісне обґрунтування можливості формування принципово нових інформативних діагностичних ознак, які використовують частотно-часову кореляцію між двома вейвлет-спектрами ЕКГ-сигналу і його лінійного перетворення. Метод. В якості такої моделі використовується адитивна модель потенціалу серцевого м’яза (наведеного електричного поля) і п’єзоелектричного потенціалу системи «кров-судини», викликаного скороченням міокарда. Для виділення впливу викликаного потенціалу в роботі запропоновано метод лінійного перетворення ЕКГ-сигналу, що має високу чутливість до локальної спектральної нестаціонарності. Для реалізації цього методу використано вейвлет-перетворення і запропонований кількісний показник спектральної нестаціонарності ЕКГ-сигналу – коефіцієнт нормованої міжспектральної кореляції (КНМК). Розроблений математичний апарат в роботі використаний для аналізу двох електрокардіографічних сигналів, умовної норми і з наслідком інфаркту міокарда. Результати. В результаті розрахованих КНМК показана можливість кількісної відмінності цих станів з досить високою статистичною достовірністю. Базовим результатом роботи є вірогіднісне обґрунтування можливості формування принципово нових інформативних діагностичних ознак, які використовують частотно-часову кореляцію між двома вейвлет-спектрами ЕКГ-сигналу та його лінійного перетворення. Висока чутливість та інформаційна значимість кореляційних діагностичних ознак підтверджені прикладами дискримінації параметрично неоднорідних ЕКГ-сигналів. Висновки. Теоретично та експериментально підтверджена спектральна нестационарность кардіосигналу; отриманий функціональний зв’язок спектральної нестаціонарності ЕКГ-сигналу з ефектами квантованості швидкості його зміни; розроблений метод параметричного визначення коефіцієнта міжспектральної кореляції, що дозволяє кількісно описати динаміку локально-спектральних змін кардіосигналу для задач автоматичного експрес контролю та діагностики кардіостанів і проведена його апробація. EN: . Modern electrocardiography, in spite of qualitative improvement in hardware and data processing capabilities, for today has practically exhausted a resource of reception of the additional diagnostic information. In the article an attempt is made to create a new method for processing electrocardiograms based on the use of the ECG signal model, which takes into account the piezoelectric effect in some biological tissues and cell connections (blood, vessel walls). Objective. Probabilistic justification of the possibility of forming fundamentally new informative diagnostic features, which uses the time-frequency correlation between two wavelet spectra of the ECG signal and its linear transformation. Method. As such a model is used the additive model of the potential of the cardiac muscle (induced electric field) and the piezoelectric potential of the blood-vessel system caused by myocardial contraction. To isolate the influence of the induced potential is proposed a method of linear transformation ECG signal. This method has a high sensitivity to local spectral nonstationarity. Wavelet transform is used to implement this method. The coefficient of normalized inter-spectral correlation (CNIC) is proposed as a quantitative indicator of the spectral nonstationarity of the ECG signal. The developed mathematical apparatus in the work is used for the analysis of two electrocardiographic signals: conditional norm and with the consequence of myocardial infarction. Results. As a result of the calculated CNIC, the possibility of a quantitative difference of these states with a sufficiently high statistical reliability is shown. The basic result of the work is a probabilistic justification for the possibility of forming fundamentally new informative diagnostic features using the time-frequency correlation between two wavelet spectra of an ECG signal and its linear transformation. High sensitivity and information significance of correlation diagnostic features are confirmed by examples of discrimination of parametrically inhomogeneous ECG signals. Conclusions. Main results of the study: the spectral non-stationarity of the cardiac signal has been confirmed theoretically and experimentally; The functional interrelation of the spectral nonstationarity of the ECG signal with the effects of quantization of the rate of its change is obtained; A method for the parametric determination of the coefficient of inter-spectral correlation was developed, which makes it possible to quantitatively describe the dynamics of the local spectral changes in the cardiac signal for the tasks of automatic express control and diagnostics of cardiac states and carried out its approbation.