Elektrotehniški vestnik 78(3): 128-135, 2011 Existing separate English edition
Algoritem za ocenjevanje prehodnega nivoja segmenta ST med spremljanjem 24-urnih ambulantnih posnetkov
Aleš Smrdel
Fakulteta za računalništvo in infromatiko, Univerza v Ljubljani, Ljubljana, Slovenia E-pošta: ales.smrdel@fri.uni-lj.si
Povzetek. Predstavljen je algoritem za oceno prehodnega nivoja segmenta ST in za gradnjo funkcij nivoja segmenta ST v 24-urnih ambulantnih posnetkih EKG. Algoritem je bil razvit in testiran z uporabo podatkovne baze Long-Term ST Database (LTST DB). Na začetku se zgradijo povprečni srcni utripi iz normalnih in nešumnatih utripov posnetkov podatkovne baze v 16-sekundni okolici vsakega srčnega utripa. Nato se poiščejo položaji izoelektricne referencne tocke in kolena J v vsakem povprecnem utripu. Funkcije nivoja segmenta ST so dobljene za vsak odvod EKG kot razlika amplitud v tocki merjenja nivoja segmenta ST (80 ms za kolenom J) in v izoelektricni referencni tocki. Celotna povprecna napaka med amplitudami vzorcev funkcij nivoja segmenta ST za vseh 86 posnetkov baze LTST DB, v skupnem trajanju 1991:50:49 [h:min:sec], zgrajenih avtomatsko in tistih zgrajenih na podlagi rocno dolocenih položajev izoelektricne referencne tocke ter kolena J, je bila samo 0.69 pV (st. dev. 8.89 pV). Dobljene funkcije nivoja segmenta ST niso vsebovale izrazitih artefaktov.
Ključne besede: 24-urni ambulantni monitoring EKG, nivo segmenta ST, položaj izoelektricnega nivoja, položaj kolena J
An algorithm to estimate the transient ST segment level during 24-hour ambulatory monitoring
An algorithm to estimate the transient ST segment level and to construct the ST segment-level functions from 24-hour ambulatory ECG records is presented. The algorithm was developed and tested using the Long-Term ST Database (LTST DB). Initially, the average heart beats are constructed from normal and non-noisy heart beats of the records of the database in a 16-second neighborhood of each heart beat. Then positions of the isoelectric reference point and the J point are located in each average heart beat. The ST segment-level functions are derived for each ECG lead as a difference in the amplitudes at the point of measurement of the ST segment level (80 ms after the J point) and at the isoelectric reference point. The aggregate average error between the amplitudes of the samples of the ST segment-level functions for all 86 records of the LTST DB, of the total duration of 1991:50:49 [h:min:sec], constructed automatically and those constructed using manually determined positions of the isoelectric reference points and J points was only 0.69 pV (st. dev. 8.89 pV). The ST segment-level functions derived contained no significant artifacts.
1 Uvod
Elektrokardiogram (EKG) je zapis električne srcne aktivnosti. Nenormalna srcna stanja se odražajo kot spremembe v morfologiji signala EKG. Najpomembnejše so spremembe v nivoju segmenta ST in v morfologiji segmenta ST kompatibilne z ishemijo (ishemicne spremembe). Ker te spremembe niso vedno prisotne
in nastajajo med normalnimi dnevnimi aktivnostmi, najpogosteje asimptomatsko, se EKG snema v daljših obdobjih (24 ur ali vec). Ti ambulantni EKG (AEKG) podatki lahko kažejo obsežne in izrazite (>100 ^V) klinicno pomembne prehodne spremembe v amplitudi nivoja segmenta ST in morfologiji segmenta ST povezane z ishemijo. Žal lahko nastajajo tudi neishe-micne spremembe amplitude in morfologije segmenta ST. Te spremembe nastajajo zaradi sprememb v srcni frekvenci (spremembe, povezane s srcno frekvenco), zaradi sprememb elektricne srcne osi povzrocene z nenadnimi spremembami položaja telesa (premiki osi), zaradi sprememb v prevajanju srcnih ventriklov (spremembe v prevajanju) ali zaradi ucinkov zdravil ali normalnih dnevnih aktivnosti (pocasna lezenja). Za odkrivanje prehodne ishemije in za razlikovanje med ishemicnimi ter neishemicnimi spremembami je treba zgraditi funkcije nivoja segmenta ST. Funkcije nivoja segmenta ST so potrebne, ker v njih išcemo prehodne epizode segmenta ST, ki vsebujejo casovno dimenzijo in so lahko dolge od 30 sekund pa do vec ur. Prehodne epizode karak-terizira sprememba nivoja segmenta ST vzdolž casa. Ker prehodne epizode segmenta ST vsebujejo casovno dimenzijo, je treba za pravilno ocenjevanje in odkrivanje prehodnih epizod segmenta ST slediti casovnemu poteku sprememb nivoja segmenta ST vzdolž posnetka. Ogromna kolicina podatkov narekuje uporabo avtomatskih procedur za gradnjo teh funkcij. Veliko avtomatskih sistemov se opira na analizo funkcij nivoja segmenta ST v casovnem prostoru za odkrivanje sprememb segmenta
ST [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Za zanesljivo delovanje takih sistemov v časovnem prostoru je treba zanesljivo oceniti nivo segmenta ST, funkcije nivoja segmenta ST pa morajo biti zanesljivo zgrajene.
V tem članku je predstavljen natančen in zanesljiv algoritem za oceno nivoja segmenta ST. Glavna prednost razvitega algoritma je, da deluje na 24-urnih ambulantnih posnetkih EKG in v vsakem srčnem utripu poišče položaj kolena J.
2 Metode
Algoritem je bil razvit in testiran z uporabo posnetkov podatkovne baze Long-Term ST Database (LTST DB) [7]. Baza LTST DB vsebuje 86 2- in 3-odvodovnih 24-urnih posnetkov AEKG 80 pačientov, vzorčenih z 250 vzorči na sekundo (AT = 4 ms) na odvod, zbranih med redno klinično prakso. Posnetki baze LTST DB so prestali znatno fazo predpročesiranja [7] med razvojem baze, ki je vključevala: pridobitev stabilnih referenčnih točk kompleksa QRS za vsak srčni utrip (FP, Fiducial point) z uporabo detektorja aritmij Aristotle [8], odstranjevanje šuma, izračun trenutne srčne frekvenče, avtomatsko iskanje položaja izoelektričnega nivoja, merjenje nivoja segmenta ST, izračun morfoloških vektrojev značilk za kompleks QRS in segment ST, temelječih na transformačiji Karhunena in Loeveja (KL), odstranitev nepravilnih srčnih utripov in njihovih sosedov ter odstranitev šumnatih utripov v prostoru značilk KL. Nato so strokovnjaki označevalči baze LTST DB ročno določili položaje izoelektričnega nivoja in kolena J za normalne in nešumnate srčne utripe, ki so bili uporabljeni za izračun funkčij nivoja segmenta ST. Funkčije odstopanja segmenta ST so bile nato dobljene kot funkčije nivoja segmenta ST, od katerih se je odštel ročno označen časovno spremenljiv referenčni nivo segmenta ST. Nazadnje pa so bile prehodne ishemične in prehodne ne-ishemične epizode zaradi spremenjene srčne frekvenče ročno označene v funkčijah odstopanja segmenta ST.
Vhod v razviti algoritem so bili osnovni podatki posnetkov EKG in ARlSTOTLE-jeve referenčne točke normalnih in nešumnatih srčnih utripov, ki so prestali fazo predpročesiranja baze LTST DB. (Referenčne točke so shranjene v datotekah *.ari baze LTST DB in so dostopne uporabnikom baze LTST DB.) Na začeteku algoritem zgradi povprečni srčni utrip za vsak individualen normalen in nešumnat srčni utrip z uporabo normalnih in nešumnatih srčnih utripov v 16-sekundni okoliči trenutnega srčnega utripa. Slika 1 prikazuje primer dvo-odvodovnega srčnega utripa, kot se vidi v odvodu 0 (zgoraj, x(0, k)) in v odvodu 1 (spodaj, x(1, k)), kjer k označuje številko vzorča signala. V teh povprečnih srčnih utripih iščeta dve pročeduri izoelektrično referenčno točko (IRP) (položaj izoelektričnega nivoja) in koleno J (JP, J point) (koneč kompleksa QRS) v vsakem odvodu.
Za določitev položaja IRP, I (i, j), kjer i označuje
Slika 1: Povprečni srčni utrip z zaznamovanimi vrhovi in intervali. Srčni utrip je prikazan v odvodu 0 (x(0, k)) in v odvodu 1 (x(1, k)).
številko odvoda, j pa številko srčnega utripa, pročedura na začetku išče od ARlSTOTLE-jeve referenčne točke, F P (j), nazaj v vsakem odvodu EKG vse do točke FP( j)-Tq (Tq = 60 ms) vzoreč signala, kjer je razlika amplitud dveh zaporednih vzorčev signala enaka nič ali pa spremeni predznak, Q(i,j). Q(i,j) je dejansko lahko koneč intervala P-Q, vrh R, ali čelo zobeč Q (glej sliko 1). Vidi se lahko, da ARiSTOTLE-jeva referenčna točka ni poravnana z vrhom R, ampak leži v težišču odkritega kompleksa QRS (v vseh odvodih). Pročedura nato išče od Q(i,j) nazaj do točke FP (j) - Tiso (Tiso = 108 ali 148 ms) "najbolj raven" 20 ms interval [9]. Najbolj raven 20 ms interval je definiran kot tisti interval, ki ima najmanjšo vsoto absolutnih odstopanj razlik vzorčev signala od intervalove lastne srednje vrednosti. Najbolj raven najdeni interval se šteje za interval P-Q, ki vsebuje IRP, srednji vzoreč tega intervala pa določa položaj IRP,
I(i, j).
Običajna povprečna širina kompleksa QRS je 80 ms pri večini ljudi in v večini primerov, vendar včasih nastanejo srčni utripi s širšimi kompleksi QRS. Po drugi plati pa je položaj ARlSTOTLE-jeve referenčne točke postavljen v težišče kompleksa QRS, kar ni nujno blizu vrha R. V takih primerih lahko IRP leži prečej daleč stran od F P (j). Zaradi teh vzrokov išče pročedura položaj IRP v dveh režimih [10]. Za posnetke s širšimi kompleksi QRS uporablja pročedura daljši interval za iskanje položaja IRP, Tiso = TP_qw = 148 ms; sičer pa uporablja krajši interval, Tiso = TP_q = 108 ms. Tiso se določi v učni fazi, ki obsega prvih 50 normalnih in nešumnatih srčnih utripov. V tej fazi pročedure išče
I (i, j) z uporabo Tiso = 108 ms in izračuna oddaljenost Q(i,j) od FP(j). Ce je ta razlika TQt = 48 ms ali več za vsaj 40 izmed prvih 50 srčnih utripov v vsaj enem odvodu EKG se Tiso postavi za vse preostale srčne utripe na Tiso = TP-qw ; sicer pa se postavi na
Tiso = TP-Q.
Dejstvo je, da bi morali biti položaji IRP v zaporednih srčnih utripih blizu. Žal pa lahko nastanejo prehitre spremembe položajev izoelektričnega nivoja v zaporednih srčnih utripih zaradi napačno določenih položajev IRP. Zaradi teh razlogov pročedura izračuna povprečno oddaljenost položajev IRP za trenutni srčni utrip od ustreznih referenčnih točk za zadnjih N =16 srčnih
utripov [10]
_ 1 N
D i (i, j) =	(F P (j - m) - I (i, j - m)), (1)
m=1
in primerja to povprečno oddaljenost z oddaljenostjo položaja trenutne IRP,
Dr (i,j) = FP (j ) - I (i, j ).
(2)
za vsak vzorec signala, absolutno razliko amplitud med povprečjem vzorcev signala v 12 ms intervalu pred in v 12 ms intervalu za trenutnim vzorcem signala. Ce je absolutna razlika med tema dvema 12 ms intervaloma manj kot KJ = 15 pV za zaporedne vzorce signala (znotraj 12 ms), potem se prvi vzorec signala znotraj te 12 ms sekvence šteje kot položaj JP, J (i, j). Kriterij naklona za odkrivanje spremembe morfologije signala je bil povzet po [11]. Vcasih pa pravilnega položaja JP preprosto ni mogoce dolociti avtomatsko. Ce ne obstaja noben segment signala, ki se zacne ravnati, postavi procedura položaj JP preprosto 40 ms po F P (j), J (i, j) = FP (j) + 40 ms, ker je obicajna povprecna širina kompleksa QRS 80 ms. Nato se doloci enoten položaj JP za j-ti srcni utrip, J (j), kot tisti položaj kolena J iz odvodov, ki je najbolj oddaljen od FP (j),
J(j)
.=1a2x (J(i,j)).
(3)
Ce se DI(i, j) in DI(i, j) razlikujeta za več kot 8 ms, pročedura ponovno išče najbolj raven 20 ms interval, tokrat od F P (j) - DI (i, j), v eni ali drugi smeri za 8 ms proti F P (j) - DI (i, j), srednji vzoreč tega 20 ms intervala pa določa položaj IRP, I (i, j); sičer ostane I (i, j), kot je bil prvotno določen [10]. To zagotavlja robustnost pročedure in tudi omogoča sledenje počasnim spremembam oddaljenosti položajev IRP [10].
Do zdaj so bili položaji IRP za dani utrip dobljeni v vsakem posameznem odvodu. Ker se položaji IRP v različnih odvodih za dani srčni utrip zgodijo simultano, je pričakovano, da bodo njihove očene, določene z algoritmom, blizu. Ce se položaji IRP za j-ti srčni utrip, I (i, j), v vsaj dveh odvodih razlikujejo za več kot 8 ms, pročedura določi en enoten končni položaj IRP za j-ti srčni utrip za vse odvode; sičer ostanejo položaji IRP, I (i, j), kot so bili določeni. Ta enotni položaj IRP je izbran izmed obstoječih položajev IRP, I (i, j), v tem srčnem utripu. Pročedura sešteje absolutna odstopanja prek vseh odvodov (v 20 ms intervalih) za vsak položaj IRP, I (i, j). Tisti položaj IRP, I (i, j), za katerega je ta vsota absolutnih odstopanj najmanjša, se vzame kot en enoten dokončen položaj IRP za vse odvode, I (j). To pravilo zagotavlja, da so položaji IRP za j-ti odvod enotni, a vendar dovoljuje majhna odstopanja [10].
Nato druga pročedura algoritma išče položaje JP, J (i, j). Pročedura na začetku išče v vsakem odvodu EKG od F P (j) naprej do točke F P (j) + TS (TS = 32 ms) vzoreč signala, kjer je razlika amplitud dveh zaporednih vzorčev signala enaka nič, ali zamenja predznak, S (i, j). To je dejansko lahko vrh R ali čelo zobeč S (glej sliko 1). Pročedura nato išče od te točke, S (i, j), (ali preprosto ponovno od F P (j), če tak vzoreč signala ni bil najden) do točke S (i, j) + Tj (Tj = 68 ms) interval, ki se "začenja ravnati" [10]. Pročedura izračuna,
Tako kot pri položajih IRP bi morali biti položaji JP v zaporednih povprečnih utripih blizu. Razdalje kolen J od ustreznih referenčnih točk bi morale biti podobne, sičer je prišlo do napačne očene položaja kolena J. Zaradi teh razlogov izračuna pročedura povprečne oddaljenosti položajev JP za trenutni utrip od ustreznih referenčnih točk za zadnjih N =16 utripov,
1
N
D J (j) = N T, (J (j - m) - FP (j - m)) (4)
m=1
in primerja to povprecno oddaljenost z oddaljenostjo položaja trenutnega JP,
D j (j) = J (j) - FP (j ).
(5)
Ce se DJ(j) in DJ(j) razlikujeta za več kot 8 ms, je verjetno prišlo do napake v očeni, končni položaj JP pa se premakne za 8 ms v eni ali drugi smeri proti F P (j) + DJ (j); sičer ostane položaj JP, J (j), kot je bil prvotno določen [10]:
( J (j) - 8 ms : če (Dj(j) - Dj < -8 ms) J (j) = < J (j) + 8 ms : če (Dj (j) - Dj > 8 ms) [ J (j)	: sičer.
(6)
To zagotavlja robustnost pročedure in obenem omogoča sledenje počasnim spremembam položajev JP.
Na podlagi položaja JP, J (j), in srčne frekvenče se določi točka merjenja nivoja segmenta ST, S (j), sledeč [7]:
S (j)-
' J (j ) + 80 ms J (j ) + 72 ms J (j ) + 64 ms J (j ) + 60 ms
ce HR(j ) < 100 ce 100 < HR(j) < 110 ce 110 < HR(j) < 1220 ce 120 < HR(j),
(7)
kjer HR(j) označuje srčno frekvenčo pri j-tem srčnem utripu, merjenem v utripih na minuto [unm]. Z uporabo položajev IRP in točke merjenja nivoja segmenta ST,
Slika 2: Šest urni segment funkcij nivoja segmenta ST posnetka s20041 (glej tudi slike 3, 4 in 5, posnetek številka 4) baze LTST DB, ki se začenja 11 ur po začetku snemanja. Legenda: (a) srcni utrip [unm]; (b) in (d) funkciji nivoja segmenta ST za odvod 0 oziroma 1, zgrajeni z uporabo ročno določenih položajev (glej besedilo) [p V]; (c) in (e) funkciji nivoja segmenta ST za odvod 0 oziroma 1, zgrajeni avtomatsko s strani razvitega algoritma [p V]; (f) prehodne ishemicne epizode segmenta ST za odvod 0 in 1, združene v smislu logicne funkcije ALI (majhni pravokotniki pod crto) ter premiki osi za odvod 0 in 1 (majhne navpicne crte pod crto), kot so jih oznacili strokovnjaki oznacevalci baze LTST DB. Povprecne napake (odvod 0 oziroma 1 s standardnimi deviacijami) za položaje IRP so bile: 1.42 ± 3.74 ms in 1.33 ± 4.54 ms; za položaje JP so bile: -1.52 ± 6.23 ms in -0.83 ± 7.12 ms; in za amplitude vzorcev zgrajenih funkcij nivoja segmenta ST so bile: 3.08 ± 8.53 pV in 4.43 ± 11.00 pV.
S (j), v povprecnih srcnih utripih, za dani odvod, algoritem nato zgradi funkcijo nivoja segmenta ST, s(i, j), kot:
s(i,j) = a(i,j) - z(i,j), (8)
kjer je a,(i, j) amplituda signala v tocki merjenja nivoja segmenta ST, S(j), z(i, j) pa je amplituda signala v položaju IRP, I (i, j). Obe amplitudi, a(i,j) in z(i, j), se dolocita kot srednja vrednost amplitud v 20 ms okolici S (j) in I (i, j).
Optimizacija algoritma je obsegala dolocitev optimalnih vrednosti za naslednje arhitekturne parametre: Tq, Tq, , Tp_q, Tp—qw, Ts, Tj, in Kj. Vrednosti so bile prvotno ocenjene empiricno na podlagi strokovnega znanja o obliki in trajanju intervalov srcnega utripa EKG. Za vsako kombinacijo sprejemljivih vrednosti (Tq = 60 ms, TQl = 48 ms, TP_q = 84, 88, 92, 96,100,104,108 ms, TP—Qw = 148 ms, TS = 32 ms, TJ = 68,80,92 ms in KJ = 5,10,15,20 ¿V) so bile dobljene funkcije nivoja segmenta ST. Izracunane so bile celotne povprecne napake med amplitudami vzorcev funkcij nivoja segmenta ST dobljenih avtomatsko in tistih, dobljenih z uporabo rocno dolocenih položajev IRP ter JP. Najboljši rezultati v smislu najmanjše celotne povprecne napake (0.69 ¿V) in brez izrazitih odstopajocih vzorcev v funkcijah nivoja segmenta ST so bili dobljeni z uporabo naslednjih vrednosti parametrov: Tq = 60 ms, Tq1 = 48 ms, TP_q = 108 ms, TP_qw = 148 ms, TS = 32 ms, TJ = 6— ms, in KJ = 15 ¿tV.
3 Rezultati
Slika 2 prikazuje 6-urni segment funkcij nivoja segmenta ST, dobljenih avtomatsko, in tistih, dobljenih z uporabo rocno dolocenih položajev IRP ter JP. Prehodne ishemicne epizode segmenta ST so jasno vidne v funkcijah nivoja segmenta ST kot izrazite spremembe amplitude (glej tudi oznake epizod v sliki 2.f). Kot zaplet pa so prisotni tudi premiki osi med prvima dvema epizodama (glej oznake premikov osi v sliki 2.f) in pocasno lezenje, ki nastaja v obeh odvodih med posnetkom. Vizualni pregled in primerjava funkcij nivoja segmenta ST, dobljenih avtomatsko ter dobljenih z uporabo rocno dolocenih položajev IRP in JP kažeta, da so si funkcije podobne, brez ocitnih izrazitih artefaktov.
Tabela 1 prikazuje celotne povprecne napake med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji IRP, med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji JP in med amplitudami vzorcev funkcij nivoja segmenta ST, zgrajenih avtomatsko ter z uporabo rocno dolocenih položajev IRP in JP. (Položaji IRP in JP, kot so jih rocno dolocili strokovnjaki oznacevalci baze LTST DB, so dostopni uporabnikom baze LTST DB in so shranjeni v datotekah *.16a podatkovne baze.) Celotna povprecna napaka med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji IRP za vseh 190 odvodov baze LTST DB je bila -3.15 ms (st. dev. 7.57 ms), celotna povprecna napaka med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji JP za vse odvode pa je bila -3.22 ms (st. dev. 5.18 ms). Celotne povprecne napake med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji
IRP
JP
ST segment level
L 0 -2.80 ± 7.55 ms -2.05 ± 5.06 ms 0.38 ± 9.17 ^V L 1 -3.59 ± 7.77 ms -3.84 ± 5.15 ms 1.60 ± 8.73 ^V L 2 -2.70 ± 6.70 ms -5.83 ± 5.90 ms -2.23 ± 8.27 ^V All -3.15 ± 7.57 ms -3.22 ± 5.18 ms 0.69 ± 8.89 ^V Tabela 1: Celotne povprecne napake s standardnimi deviaci-jami med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji IRP, JP ter amplitudami vzorcev funkcij nivoja segmenta ST dobljenih avtomatsko in z uporabo rocno dolocenih položajev IRP ter JP, za odvode 0 (L 0), 1 (L 1) in 2 (L 2) ter za vse odvode (All) baze LTST DB. Celotna dolžina posnetkov v bazi LTST DB je 1991 h, 50 min in 49 sec, skupaj vsebujoc 7,831,024 normalnih in nešumnatih srcnih utripov.
IRP ter JP so bile relativno majhne (upoštevajoc da je casovni korak med vzorci signala A T = 4 ms), kar nakazuje dobre zmogljivosti algoritma v "resnicnem svetu". Celotna povprecna napaka med amplitudami vzorcev funkcij nivoja segmenta ST, dobljenih z uporabo avtomatsko dolocenih položajev IRP in JP, ter tistih, dobljenih z uporabo rocno dolocenih položajev, za vse odvode baze LTST DB, obsegajoc 7,831,024 normalnih in nešumnatih srcnih utripov, je bila 0.69 ^V (st. dev. 8.89 ^V) (glej tabelo 1). Kot prej je bila tudi tu napaka relativno majhna (pod 1 ^V), še zlasti ce upoštevamo, da je amplituda klinicno pomembne spremembe segmenta ST vecja od 100 ^V. Po drugi plati pa lahko vidimo, da so bile standardne deviacije še kar visoke, kar pomeni, da so vzorci funkcij nivoja segmenta ST, dobljeni z uporabo avtomatsko dolocenih položajev IRP in JP, oscilirali okoli vzorcev funkcij nivoja segmenta ST, dobljenih z uporabo rocno dolocenih položajev.
Slika 3 prikazuje rezultate primerjave avtomatsko in rocno dolocenih položajev IRP, medtem ko slika 4 prikazuje rezultate primerjave avtomatsko in rocno dolocenih položajev JP, za vseh 190 odvodov baze LTST DB. Povprecna napaka med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji IRP je bila v vecini primerov pod 8 ms. V le štirih odvodih je ta razlika presegla 20 ms: posnetek 59 (s20561) v odvodu 0 in posnetek 80 (s30751) v vseh treh odvodih. Podobno je bila tudi povprecna napaka med avtomatsko in rocno dolocenimi položaji JP v vecini primerov pod 8 ms. Vendar je bila v 14 odvodih napaka v položajih JP vec kot 20 ms: posnetek 5 (s20051) v obeh odvodih, posnetek 24 (s20241) v odvodu 1, posnetek 35 (s20321) v obeh odvodih, posnetek 52 (s20491) v odvodu 1, posnetek 53 (s20501) v obeh odvodih, posnetek 75 (s30721) v vseh treh odvodih in posnetek 84 (s30781) v vseh treh odvodih. In v obeh odvodih posnetka 35 (s20321) je napaka presegla 40 ms.
Slika 5 prikazuje rezultate primerjave med amplitudami vzorcev funkcij nivoja segmenta ST, dobljenih avtomatsko in dobljenih z uporabo rocno dolocenih položajev IRP ter JP, za vseh 190 odvodov baze LTST DB. Povprecna napaka je bila majhna in je bila pod
10 ^V za vecino odvodov. Le v petih odvodih je povprecna napaka presegla 25 ^V: posnetek 24 (s20241) v odvodu 1, posnetek 34 (s20311) v odvodu 1, posnetek 35 (s20321) v odvodu 0 in posnetek 53 (s20501) v obeh odvodih. Noben izmed posnetkov z veliko povprecno napako v položajih IRP ni imel velike povprecne napake v amplitudi, a v štirih izmed petih odvodov z veliko povprecno napako v amplitudi so se avtomatsko in rocno doloceni položaji JP znatno razlikovali.
Slika 6 prikazuje 6-urni segment funkcij nivoja segmenta ST, zgrajenih avtomatsko in rocno za posnetek s20501 (posnetek številka 53) baze LTST DB, ki je najslabši primer v oceni nivoja segmenta ST med posnetki baze LTST DB. Povprecna napaka med vzorci funkcij nivoja segmenta ST, dobljenih avtomatsko in z uporabo rocno dolocenih položajev IRP ter JP, je bila za ta posnetek najvecja. Avtomatsko dobljene funkcije nivoja segmenta ST so dejansko podobne dobljenim z uporabo rocno dolocenih položajev IRP in JP, ceprav je amplituda vzorcev avtomatsko dobljenih funkcij nivoja segmenta ST konstantno previsoka, a nikoli za vec kot 100 ^V. Poleg tega pa je po casu 13:30:00 amplitu-dna sprememba po premiku osi v avtomatsko dobljeni funkciji nivoja segmenta ST premajhna. To je najbolj ocitno približno od 13:30:00 v odvodu 0 in od 14:45:00 v odvodu 1, do približno 15:30:00 v obeh odvodih. Povprecna napaka za ta posnetek je velika, a še vedno ne povzroci klinicno pomembnih artefaktov. Klinicno pomembna sprememba nivoja segmenta ST je namrec 100 ^V. Napaka v ocenjevanju nivoja segmenta ST za ta posnetek je nastala zaradi napacno dolocenih položajev kolena J (glej sliko 4, posnetek številka 53).
4 Razprava in sklepi
Avtomatsko doloceni položaji IRP so ponavadi postavljeni bolj stran od referencne tocke kot tisti, postavljeni rocno, saj je procedura sposobna razlikovati med majhnimi razlikami v "ravnosti", ki jih strokovnjak lahko spregleda. Te razlike v položajih IRP ne pov-zrocijo izrazitih napak v funkcijah nivoja segmenta ST. Avtomatsko doloceni položaji JP so ponavadi postavljeni bliže referencni tocki kot tisti, ki so postavljeni rocno. Popravek bi bilo mogoce doseci z ojacitvijo pogoja za dolocanje, kdaj se zacne signal ravnati. Na splošno bi to povzrocilo odkrivanje položajev JP bolj stran od referencne tocke, a bi bil v nekaterih primerih pogoj prevec strog, JP ne bi bil odkrit, zato bi bil postavljen privzeti položaj, to pa bi pripeljalo do vecje napake.
Za nekatere izmed posnetkov baze LTST DB so strokovnjaki oznacevalci postavili enotne položaje IRP za vsak srcni utrip v vseh odvodih. Ti posnetki so bili: s20231, s20251, s20272, s20391, s20411 in od s20581 do s30801. Postavili so tudi enotne položaje JP v posnetkih od s20581 do s30801. V vseh preostalih posnetkih pa so postavili položaje IRP in/ali JP v vsakem odvodu posebej. Razviti algoritem postavi položaj IRP v
	40
	20
	
	0
	-20
	-40
	40
	20
	
J" U C5	0
	-20
	-40
	40
rj	20
	
eoe	0
	-20
	-40


0
5
10
15
20
25
30
35
55
60
65
70
75
80
85
40 45 50 Record number
Slika 3: Rezultati primerjave med avtomatsko in ročno določenimi položaji IRP za odvode 0 (zgoraj), 1 (sredina) in 2 (spodaj) baze LTST DB. Prikazane so povprečne napake s standardnimi deviacijami.
C5 i—"S
40 20 0 -20 -40
	40
	20
	
a	0
	-20
	-40
	40
rj	20
	
eoe	0
	-20
	-40
																			
																			
	I I I i	i X 1 i		o $	...........J...... * 1					1 s I	J	| i{				is	j		
		1		i ^ 1	i 1	1		i 1	i*			i	5 Ji	i	M4	[i			. i
											I								
																			
																			
				i															
j i j J				| I	i ^	4		i i i	? j			i				i"	j		
						i i										p i.			
-..............																			
																			
																11	i		
															S}4	i*	r		i
																			
																			
40 45 50 Record number
Slika 4: Rezultati primerjave med avtomatsko in ročno določenimi položaji JP za odvode 0 (zgoraj), 1 (sredina) in 2 (spodaj) baze LTST DB. Prikazane so povprečne napake s standardnimi deviačijami.
vsakem utripu v vsakem odvodu posebej, razen tedaj, ko so "ravni" intervali v različnih odvodih zelo narazen. V takih primerih algoritem obravnava položaje kot napačno določene in postavi robustno enoten položaj IRP za vse odvode. Poleg tega algoritem vedno postavi enoten položaj JP za vse odvode v srčnih utripih.
Povprečna napaka med amplitudami vzorcev funkčij nivoja segmenta ST, dobljenih avtomatsko, in tistih, dobljenih z uporabo ročno določenih položajev IRP ter JP, je bila majhna. Nekateri odvodi so imeli kar veliko
povprečno napako. Vendar sta vizualni pregled in primerjava avtomatsko dobljenih funkčij nivoja segmenta ST ter tistih, dobljenih z uporabo ročno določenih položajev IRP in JP, pokazala, da to ni vodilo v izrazite artefakte, kar še vedno ohranja ta algoritem primeren za avtomatsko gradnjo funkčij nivoja segmenta ST.
Primerjava zmogljivosti razvitega algoritma z drugimi algoritmi ni mogoča, saj ni objavljenih rezultatov vrednotenja drugih takih algoritmov. Številni drugi algoritmi sičer gradijo funkčije nivoja segmenta ST, vendar
0
5
10
15
20
25
30
35
55
60
65
70
75
80
85

40 20 0 -20 -40
40 20 0 -20 -40
40 20 0 -20 -40
...........
r ITT! t


		
		
rTJ	T T	T

4-1-
10
15
20
25
30
35
55
60
65
70
75
80
85
40 45 50 Record number
Slika 5: Rezultati primerjave amplitud vzorcev funkcij nivoja segmenta ST zgrajenih na podlagi avtomatsko določenih položajev IRP in JP ter tistih, dobljenih na podlagi ročno določenih položajev, za odvode 0 (zgoraj), 1 (sredina) in 2 (spodaj) baze LTST DB. Prikazane so povprečne napake s standardnimi deviacijami.
Record:s20501 ,
(a)
Heart rate
Lead 0
(b)
ST Level Annotators
(c)
ST Level
'160 120 80 40
0-
100
»Kit
-50 -100 100 50
Algorithm 50 Lead 1	-100
(d) 15000 ST Level	500
Annotators -500 -100
(e)	15000
ST Level	50
Algorithm -500
A	-150
Annotations Annotators
, .,1... ,A.,Mf 1
liMJrlttitti


dm.
MW
m
Time [h:m:s]

RfS

-t*,—
12:00:00 12:30:00 13:00:00 13:30:00 14:00:00 14:30:00 15:00:00 15:30:00 16:00:00 16:30:00 17:00:00 17:30:00
Slika 6: Šest-urni segment funkcij nivoja segmenta ST posnetka s20501 (glej tudi Sl. 3, 4 in 5, posnetek številka 53) baze LTST DB, ki se zacenja 12 ur po zacetku snemanja. Legenda: (a) srcni utrip [unm]; (b) in (d) funkciji nivoja segmenta ST za odvod 0 oziroma 1, zgrajenih z uporabo rocno dolocenih položajev (glej besedilo) [p V]; (c) in (e) funkciji nivoja segmenta ST za odvod 0 oziroma 1, zgrajenih avtomatsko s strani razvitega algoritma [p V]; (f) premiki osi za odvod 0 in 1 (majhne navpicne crte pod crto), kot so bili oznaceni s strani ekspertov oznacevalcev baze LTST DB. Povprecne napake (odvod 0 oziroma 1, s standardnimi deviacijami) za položaje IRP so bile: 2.85 ± 4.41 ms in -8.05 ± 5.38 ms; za položaje JP so bile: -24.30 ± 11.91 ms in -36.69 ± 12.03 ms; in za amplitude vzorcev zgrajenih funkcij nivoja segmenta ST so bile: 45.74 ± 44.03 pV in 50.33 ± 40.37 pV.
ali sploh ne išcejo položajev JP ali pa ne porocajo o zmogljivosti odkrivanja položajev JP. Prav tako še noben drug algoritem ni bil ocenjen glede na zmogljivosti odkrivanja položajev IRP. Podatkovna baza LTST DB omogoca oceno zmogljivosti algoritmov za iskanje položajev IRP in JP, saj vsebuje rocno postavljene oznake
položajev izoelektricnega nivoja in kolena J, vendar do zdaj še niso bile ocenjene zmogljivosti nobenega drugega tovrstnega algoritma. Veliko algoritmov za odkrivanje prehodne ishemije išce položaje IRP in nekateri celo položaje JP, vendar niso bili objavljeni še nobeni rezultati. Dolocitev položajev JP v vseh posnetkih EKG
je zelo težavna. Zato ne obstajajo rezultati zmogljivosti takšnih algoritmov. Razviti algoritem je dober, saj zna poiskati JP v vseh posnetkih baze LTST DB in je do zdaj edini algoritem, katerega zmogljivosti so bile vrednotene na 24-urnih posnetkih. Drugi algoritmi, ki uporabljajo bazo LTST DB, odkrivajo prehodne epizode segmenta ST, klasificirajo med prehodnimi epizodami segmenta ST in neishemicnimi dogodki ter klasificirajo prehodne epizode segmenta ST na ishemicne epizode in na epizode zaradi spremenjene srcne frekvence, nihce pa še ni ocenil natančnosti določitve položaja IRP in JP ter natancnosti dolocitve nivoja segmenta ST glede na rocno dolocene oznake, ki so dostopne v bazi LTST DB.
Za konec, razvitje bil preprost, natancen in ucinkovit algoritem za avtomatsko iskanje položajev IRP ter JP, oceno nivoja segmenta ST in gradnjo funkcij nivoja segmenta ST. Algoritem deluje dobro v 24-urnih posnetkih baze LTST DB in tako dovoljuje zanesljivo odkrivanje prehodnih epizod segmenta ST.
Literatura
[1]	F. Jager, R. G. Mark, and G. B. Moody, "Analysis of transient ST segment changes during ambulatory ECG monitoring", Proc of Comput Cardiol 1991, pp. 453-456, 1991.
[2]	A. Taddei, G. Constantino, R. Silipo, M. Emdin, and C. Mar-chesi, "A system for the detection of ischemic episodes in ambulatory ECG", Proc of Comput Cardiol 1995, pp. 705-708.
[3]	J. Garcia, L. Sornmo, S. Olmos, and P. Laguna, "Automatic detection of ST-T complex changes on the ECG using filtered RMS difference series: application to ambulatory ischemia monitoring, IEEE Trans Biomed Eng, Vol. 47, pp. 1195-1201, 2000.
[4]	A. Smrdel and F. Jager, "Automated detection of transient ST segment episodes in 24-hour electrocardiograms", Med Biol Eng Comp, Vol. 42, pp. 303-311, 2004.
[5]	A. Minchole, B. Skarp, F. Jager, and P. Laguna, "Evaluation of a root mean squared based ischemia detector on the Long-Term ST database with body position change cancellation", Proc of Comput Cardiol 2005, pp. 853-856, 2005.
[6]	L. Dranca, A. Goni, and A. Illaramendi, "Real-time detection of transient cardiac ischemic episodes from ECG signals", Physiol Meas, Vol. 30, pp. 983-998, 2009.
[7]	F. Jager, A. Taddei, G. B. Moody, M. Emdin, G. Antolic, R. Dorn, A. Smrdel, C. Marchesi, and R. G. Mark, "Long-term ST database: a reference for the development and evaluation of automated ischaemia detectors and for the study of the dynamics of myocardial ischaemia", Med Biol Eng Comp, Vol. 41, pp. 172182, 2003.
[8]	G. B. Moody and R. G. Mark, "Development and evaluation of a 2-lead ECG analysis program", Proc of Comput in Cardiol 1982, pp. 39-44, 1982.
[9]	F. Jager, "Automated detection of transient ischemic ST-segment changes during ambulatory ECG-monitoring", PhD thesis, University of Ljubljana, Faculty of Electrical and Computer Engineering, 1993.
[10]	A. Smrdel, "Robust automated detection of transient ST segment episodes in 24-hour electrocardiograms", PhD thesis, University of Ljubljana, Faculty of Computer and Information Science, 2004.
[11]	I. K. Daskalov, I. A. Dotsinsky, and I. I. Christov, "Development in ECG acquisition, preprocessing, parameter measurement, and recording", IEEE Eng Med Biol, Vol. 17, pp. 50-58, 1998.
Aleš Smrdel je zaposlen kot predavatelj na Fakulteti za racunalništvo in informatiko Univerze v Ljubljani. Njegovi raziskovalni interesi vkljucujejo procesiranje biomedicinskih signalov.