Возможности электрокардиографии высокого разрешения

Аннотация

Разработан комплекс аппаратуры, включающий в себя электрокардиограф высокого разрешения, персональный компьютер “Пентиум”-200 и программы обработки ЭКГ [10]. Благодаря этому можно получить “фазовый портрет” сердца, на котором по оси X откладываются ЭКГ, а по оси Y — первая от нее производная. Данный метод позволяет получить большую информацию, чем стандартная ЭКГ.

Полный текст

Разработан комплекс аппаратуры, включающий в себя электрокардиограф высокого разрешения¹, персональный компьютер “Пентиум”-200 и программы обработки ЭКГ [10]. Благодаря этому можно получить “фазовый портрет” сердца, на котором по оси X откладываются ЭКГ, а по оси Y — первая от нее производная. Данный метод позволяет получить большую информацию, чем стандартная ЭКГ.

Кроме того, комплекс аппаратуры дает возможность регистрировать потенциалы пучка Гиса (ППГ) и поздние потенциалы желудочков сердца (ППЖ). Приведены результаты обследования более чем 100 пациентов, и на этой основе предложена модель возникновения поздних потенциалов ЭКГ-сигнала, ранний вариант которой был описан в опубликованных нами работах [6, 7].

С помощью созданной нами аппаратуры [10] можно регистрировать потенциалы пучка Гиса (ППГ) с обычных поверхностных электродов [1]. Для их надежного выделения используются специально разработанные цифровые фильтры, позволяющие получить высокое разрешение [9]. В память компьютера записываются усиленные ЭКГ-сигналы со II стандартного отведения. После высокочастотной (ВЧ) и низкочастотной (НЧ) фильтрации при помощи двусторонних адаптивных цифровых фильтров [3] соответствующие составляющие подаются на монитор или печать.

Рис. 1. НЧ и ВЧ компоненты ЭКГ-сигнала здорового пациента, усиленное отведение II. Перед двухфазным QRS-комплексом на ВЧ компоненте видны ППГ (монофазные импульсы на расстоянии 0,02 с).

На рис. 1 приведены четыре последовательных цикла ЭКГ-сигнала с экрана монитора персонального компьютера (НЧ — вверху, ВЧ — внизу) здорового человека. Перед двухфазными ВЧ компонентами комплекса QRS обычно видны монофазные ППГ. На последнем цикле ППГ становится двухфазным. Анализ наших данных показал, что амплитуда ППГ меняется от 0 до 10 мкВ, а расстояние между ППГ и QRS комплексами — от 0 до 0,06 с, что согласуется с результатами инвазивных измерений, описанных в литературе [1]. Наш метод регистрации ППГ не имеет недостатка, который присущ методам обнаружения ППГ, использующим усреднение регистраций, в частности по 100 циклам [4, 5], которые приводят только к “размазыванию” ППГ в интервале P-QRS.

Указанный метод был использован для регистрации высокочастотных компонент (ВЧ компонент) ЭКГ-сигнала. В качестве примера рассмотрены регистрации с отведения Ѵ₄ для пациентов с инфарктом миокарда. На рис. 2 приведены НЧ и ВЧ составляющие ЭКГ-сигнала больного инфарктом миокарда (1-й день заболевания, вверху) и здорового человека (внизу). В обоих случаях были проведены записи более 100 циклов, усиленных ЭКГ-сигналов отведения Ѵ₄, при этом у здорового не были обнаружены ВЧ составляющие вне комплекса QRS. У больного инфарктом миокарда прослеживались периоды отсутствия ВЧ компоненты, сменявшиеся периодами появления ВЧ компоненты сначала на месте Т-волны, затем в виде поздних потенциалов желудочка (ППЖ), и весь интервал R—R заполняется ВЧ импульсами. На НЧ компонентах эта закономерность выражалась вначале в виде последовательного уменьшения R—R интервала, затем его максимального увеличения для циклов с большим содержанием ВЧ импульсов. Там, где появлялись ВЧ компоненты и Т-волны, НЧ составляющая этих зубцов имела меньшую амплитуду. Таким образом, общая амплитуда ЭКГ-сигнала (ВЧ+НЧ) оставалась постоянной. Наблюдавшаяся нами высокая корреляция между НЧ и ВЧ компонентами (0,7; Р <0,05 по критерию t Стьюдента), между ВЧ и R—R интервалом (0,63; Р <0,05 по критерию t Стьюдента), а также отсутствие ВЧ импульсов в некоторые моменты времени, свидетельствовали о том, что мы на самом деле регистрировали реальные потенциалы сердца (сравните с работами [8, 11]).

Отметим, что в настоящее время известны три основных метода регистрации ППЖ [8, 11]:

1) временной анализ сигнал-усредненной ЭКГ;

2) спектральный анализ сигнал-усредненной ЭКГ;

3) метод пространственного усреднения ЭКГ (“beat-by-beat analysis”).

Последний метод позволяет регистрировать усиленный PQRST сигнал в каждом комплексе, но для снижения уровня шума применяется одновременно запись с нескольких пар близко расположенных электродов. Наш метод отличается от традиционных [11] отсутствием временного и пространственного усреднения, что, как известно из теории анализа сигналов [3], не дает искажений компонент реального сигнала, которые могут возникать при любом усреднении.

Рис. 2. НЧ и ВЧ компоненты ЭКГ-сигнала здорового (внизу) и больного инфарктом миокарда (вверху) пациентов. Усиленное отведение Ѵ4.

На рисунке 2 для выделения ВЧ компонент используются квадратичные адаптивные фильтры, поэтому амплитуда потенциалов всегда положительна.

Рис. 3. Последовательные фрагменты НЧ и ВЧ компонентов ЭКГ-сигнала, полученных при помощи кубического адаптивного фильтра. Усиленное отведение V

Использование кубического адаптивного фильтра, как показано на рис. 3, свидетельствует о том, что ВЧ потенциалы на самом деле являются биполярными. Поэтому использование метода усреднения [6] для регистрации ППЖ приводит к расплыванию спектра и взаимной амплитудной компенсации потенциалов. Без этой процедуры усреднения данные о ППЖ более информативны, чем получаемые традиционyым методом [8].

Закономерность возникновения и динамики ВЧ и НЧ компонент ЭКГ-сигнала при инфаркте миокарда была обнаружена нами впервые, поэтому для объяснения этих данных нам пришлось создать двумерную имитационную модель возникновения спонтанных возбуждений в миокарде. Предполагается следующий механизм. При спонтанном возбуждении участка миокарда все его клетки находятся в хаотически возбужденном состоянии. Двумерное случайное поле рассматривается по аналогии с одномерным процессом авторегрессии [3]. Наиболее простая модель двумерного процесса авторегрессии — представление случайного поля в виде одномерных процессов авторегрессии первого порядка по строкам, столбцам и диагонали матрицы поля [3].

Рис. 4. Модельные представления девяти фрагментов подпороговой деполяризации (реполяризации) небольшого участка миокарда (двумерный разрез).

На рис. 4 приведена последовательная динамика возбуждения участка миокарда. Первоначально (левый верхний угол) все клетки миокарда находятся в хаотически возбужденном состоянии. Постепенно, за счет трансмембранного взаимодействия (электромеханическое сопряжение) поляризация клеток приобретает коллективный характер. Появление значительных поляризованных участков подпорогового уровня приводит к возникновению ВЧ компоненты на ЭКГ-сигнале. Далее поляризация может достичь порогового уровня с последующей полной деполяризацией или реполяризацией миокарда и соответствующим снятием ВЧ потенциалов. Через определенное время картина повторяется.

Дополнительным подтверждением нашей имитационной модели возникновения поздних потенциалов являются экспериментальные работы [1, 5] с описанием спонтанных осцилляций изолированной папиллярной мышцы крысы [5]. Показано, что такая механическая активность сопровождается низкоамплитудными подпороговыми изменениями трансмембранного потенциала. Описаны и другие экспериментальные данные [5], полученные на открытом сердце, которые также подтверждают нашу имитационную модель возникновения поздних потенциалов на различных участках ЭКГ-сигнала.

¹ Работа поддержана Российским гуманитарным научным фондом. Грант № 97-06-08048.