вступ

Метою лабораторних робіт з дисципліни «Комп'ютерні технології в медицині» є придбання практичних навичок по створенню сучасних інструментальних засобів програмного забезпечення біотехнічних систем.

Лабораторні роботи призначені для розширення і закріплення теоретичних знань за курсом. Лабораторний практикум містить у собі роботи присвячені створенню комп’ютерних систем обробки та аналізу ортогональной векторкардіограми та реограм з використанням сучасних математичних методів та алгоритмів.

Усі лабораторні роботи побудовані по єдиному принципу, рекомендованому методичною комісією університету і можуть бути використані в курсах:

• Проектування апаратів та систем заміщення органів людини;

• Основи наукових досліджень;

• Нові інформаційні технології;

• Прикладне програмне забезпечення біотехнічних систем;

• Інженерні методи медико-біологічних досліджень;

• Автоматизація обробки та аналізу біомедичної інформації;

• Моделювання в біології та медицині;

• При підготовці магістрів-іноземців.

Для одержання допуску до виконання лабораторної роботи студент попередньо повинний ознайомиться з методичними вказівками до даної роботи, вивчити теоретичний матеріал з розглядаючого розділу, чітко представляти порядок виконання роботи. Студенти допускаються до виконання лабораторних робіт тільки після проведення інструктажу з техніки безпеки, про що робиться оцінка в журналі викладача.

Звіт з лабораторних робіт оформляється кожним студентом окремо відповідно до вимог стандарту ДСТУ 3008 – 95 «Документація. Звіти в сфері науки і техніки. Структура і правила оформлення».

Студенти, що виконали по дві роботи і не захистили хоча б одну, до подальшого виконання лабораторного практикуму не допускаються.

1 Компьютерная система анализа ортогональной векторкардиограммы

1. Цель работы

Изучение компьютерной системы анализа ортогональной векторкардиограммы.

2. Методические указания по организации самостоятельной работы студента

При подготовке к лабораторной работе необходимо изучить строение и функции проводящей системы сердца, электрофизиологические основы ЭКГ и методику анализа ортогональной векторкардиограммы [1, 2].

Векторные величины в отличие от скалярных характеризуются, помимо абсолютной величины, также и направлением. Примером может служить электрический ток. ЭДС является векторной величиной, где стрелка вектора говорит о направлении ЭДС. При обозначении ЭДС начало вектора соответствует минусу, конец – плюсу. Векторные величины могут быть направлены в одну или в разные стороны. Правило сложения векторов дают возможность определить суммарный, или результирующий вектор.

ЭДС сердца проецируется на поверхность человеческого тела.

Электрические потенциалы, образующиеся при работе сердца, можно зарегистрировать с помощью двух электродов, один из которых соединен с положительным, а другой – с отрицательным полюсом гальванометра который имеется в электрокардиографе. Соединение двух точек тела человека, имеющих разные потенциалы, называется отведением.

Последовательность процесса деполяризации желудочков в миокарде на фронтальном разрезе сердца представлена на рисунке 1.1,

Рисунок 1.1 – Последовательность направления ЭДС сердца

во время его возбуждения

где А: 1 и 2 – векторы, которые регистрируются во время возбуждения левой половины межжелудочковой перегородке; векторы 3 и 4 условно соответствуют начальному возбуждению правого желудочка, к которому присоединяется возбуждение левого желудочка; векторы 5 и 6 отражают момент возбуждения обоих желудочков с заметным преобладанием ЭДС левого желудочка; вектор 7 – регистрируется в то время, когда возбуждением охвачено максимальное количество волокон левого желудочка; затем в единицу времени процесс деполяризации охватывает все меньшее количество волокон левого желудочка (векторы 8 и 9); векторы 10 и 11 – соответствуют возбуждению основания левого желудочка; Б – векторная петля, являющаяся отражением процесса возбуждения целого миокарда; В – суммарный вектор всего периода деполяризации, полученный путем сложения всех отдельных векторов. Он указывает на среднее направление ЭДС сердца в течение деполяризации. Число векторов и стадии возбуждения в данном случае взято произвольно.

Линия, соединяющая концы этих векторов представляет собой векторную петлю, регистрирующуюся во время процесса возбуждения желудочков (рис. 1.1 В). Она получается обычно при записи векторкардиограммы. Суммарный вектор указывает на среднее направление ЭДС сердца в течение всего периода деполяризации.

Векторкардиография (ВКГ) представляет собой метод динамического пространственного изображения биоэлектрической активности сердца. Известно, что при возбуждении мышцы сердца во все моменты сердечного цикла образуется значительное количество разнонаправленных моментных векторов, оценка каждого из которых невозможна. Это дало основание F. N. Wilson интегрировать их и при анализе оперировать понятием результирующего вектора сердца, являющегося суммой элементарных векторов каждого момента электрической активности миокарда. В процессе периодов возбуждения и восстановления сердечного цикла измеряют величину и направление результирующего вектора сердца, описывающего в пространстве из предполагаемого центра сердца кривую, названную вектркардиограммой.

Результирующий вектор в ходе сердечного цикла не меняет своего положения в пространстве. В результате изменения направления и величины результирующего вектора, создается поверхность вращения, параметры которой представляют собой полную характеристику вектора ЭДС сердца.

Пространственную ориентацию векторной петли записывают в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 1.2):

• горизонтальной (H);

• фронтальной (F);

• сагиттальной (Sl).

Рисунок 1.2 – Cхема ориентации векторной петли в трех плоскостях

(H, F, Sl) у здорових лиц

Максимальна ось петли отклоняется по горизонтальной линии под углом α, который считается положительным снизу от горизонтали и отрицательным – сверху для ортогональных проекций F, Sl и считается отрицательным снизу от горизонтали и положительным – сверху для ортогональной плоскости H.

При анализе векторной петли (рис. 1.3) в каждой плоскости определяют:

1. длинну и ширину петли QRS и их отношение;

2. отклонение вперед и назад, вправо и влево и их отношения в горизонтальной плоскости;

3. отклонения вправо и влево, вверх и вниз и их отношения во фронтальной плоскости;

4. отклонения вперед и назад, вверх и вниз и их отношение в сагиттальной плоскости;

5. величину и направление максимального вектора петель QRS и T;

6. величину и направление моментных векторов;

7. угол расхождения между направлениями максимальных векторов QRS и T;

8. площади петель QRS и T.

Рисунок 1.3 – Схема анализа векторной петли комплекса QRS

В норме петля находится внизу слева и большей частью сзади (E. Abbramson).

Компьютерная система «КАРДИОЛАБ» позволяет строить и анализировать ВКГ, как в трех ортогональных проекциях, так и в трехмерном виде с возможностью произвольного поворота плоскостей проекции.

Внешний вид окна «Векторный анализ ЭКГ» системы «КАРДИОЛАБ» приведен на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Внешний вид окна «Векторный анализ ЭКГ»

В левой части окна ВКГ отображается размеченная ЭКГ в трех ортогональных отведениях X, Y, Z, в центре окна – три проекции ВКГ на ортогональные плоскости – F, H, Sl, с измеренными значениями углов наклона электрической оси сердца в соответствующих плоскостях, в правой части изображена объемная векторная петля, выделенного PQRST-комплекса. В левом нижнем углу окна приведена таблица измеренных значений ориентации вектора для трех моментов времени – 20 мс, 40 мс, 60 мс во всех плоскостях

3. Описание лабораторной установки

Электрокардиографический комплекс «КАРДИОЛАБ» предназначен для съема биологических сигналов человека по электрокардиографическим каналам, обработки снятых сигналов, их отображения и вывода на печать, а также измерения параметров электрокардиографических сигналов.

По условиям эксплуатации комплекс относится к климатическому исполнению УХЛ категория 4.2 по ГОСТ 15150.

По способу защиты от поражения электрическим током комплекс соответствует классу защиты II, тип защиты BF по ДСТУ 3798.

По устойчивости к механическим воздействиям комплекс соответствует группе 2 по ГОСТ 20790.

Диапазон регистрации напряжения ЭКС – от 0,01 до 5 мВ. Диапазон измерения напряжения ЭКС – от 0,01 до 4 мВ. Предел относительной допустимой погрешности – , диапазон измерения временного интервала – от 0,1 до 5 с. Коэффициент ослабления синфазного сигнала – не менее 120 дБ. Неравномерность АЧХ ЭКС по отношению к напряжению на номинальной частоте 10 Гц:

• -20 до +5 % в диапазоне частот от 2 Гц до 75 Гц;

• -40 до +5% в диапазоне частот от 0,5 Гц до 2 Гц и от 75 Гц до 110 Гц.

Продолжительность непрерывной работы – до 8 часов. Электропитание усилителя биопотенциалов – 12 В, сила электрического тока – не более 80 мА. Потребляемая мощность – не более 250 ВА. Средняя наработка на отказ – не менее 4000 часов.

Комплекс включает в себя 12-ти канальный усилитель биопотенциалов чувствительностью от 1 до 5 мВ/дел. Входной ток утечки ≤ нА, входное сопротивление ≥ 100 МОм, встроенная калибровка 1мВ 2%, Ти = 0,1 с, Тп = 1 с 5%.

Комплекс производит перерасчет 12-ти канальной ЭКГ в три ортогональные отведения X, Y, Z ВКГ.

4. Порядок работы и методические указания по ее выполнению

1. Двойным щелчком мыши запустить с рабочего стола программу «КАРДИОЛАБ» или путем выбора соответствующей строки в меню программ.

2. Выбрать режим работы «ЭКГ» (рис. 1.5).

Рисунок 1.5 – Рабочий стол системы «КАРДИОЛАБ»

3. В окне система «Картотека пациентов» зарегистрировать и сохранить данные об обследуемом пациенте, а затем о проведенных обследованиях (рис. 1.6).

Рисунок 1.6 – Окно карточки пациента

4. Наложить на пациента электроды и произвести регистрацию ЭКГ, войдя в режим «Регистрация ЭКГ». Сделать это можно как из окна «Картотека», так и непосредственно из «Карточки пациента».

5. Войти в окно анализа ЭКГ и выбрать режим «Вектор» (см. рис. 1.4). Внешний вид рабочего окна «Анализ ЭКГ» приведен на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 – Внешний вид рабочего окна «Анализ ЭКГ»

6. Измерить текущее направление вектора для заданного момента времени. Для этого указателем мышки переместите вертикальный маркер на ЭКГ в нужную точку, текущее направление вектора во всех трех проекциях отобразится на соответствующих проекциях ВКГ.

7. Указать стрелкой мышки на одну из проекций векторной петли и дважды нажмите на левую кнопку мышки. Объемная (3D) векторная петля отобразится в соответствующей проекции.

Для того чтобы рассмотреть все детали ВКГ развернуть плоскости проекций векторной петли произвольным образом.

8. Указать стрелкой мышки на объемную петлю и нажмите левую кнопку мышки. Не отпуская кнопки, повернуть оси системы координат 3D-ВКГ. С использованием кнопок на панели управления окна и меню режима произвести включение или выключение отображения векторных петель, соответствующих частям P, QRS, T.

9. Определить координаты точек векторной петли (не менее 50) для ее последующего анализа в трех плоскостях.

10. Определить длину и ширину петли QRS и их отношение.

11. Рассчитать отклонение вперед и назад, вправо и влево и их отношения в горизонтальной плоскости.

12. Рассчитать отклонения вправо и влево, вверх и вниз и их отношения во фронтальной плоскости.

13. Рассчитать отклонения вперед и назад, вверх и вниз и их отношение в сагиттальной плоскости.

14. Определить величину и направление максимального вектора петель QRS и T.

15. Определить величину и направление моментных векторов.

16. Найти угол расхождения между направлениями максимальных векторов QRS и T.

17. Рассчитать площади петель QRS и T, например способом подсчета количества пикселей, очерченных ВКГ петлей (см. прил. А);

18. Определить по таблицам А.1 и А.2 отклонение от нормы показателей, рассчитанных в пунктах 10 – 17.

19. Нажав кнопку «Печать», распечатать полученное изображение ВКГ.

20. Разработать алгоритм и программу расчета и анализа основных показателей ВКГ и построения ее ортогональных проекций.

2.5 Содержание отчета

Отчет о лабораторной работе должен содержать: цель работы, измеренное значение текущего вектора ВКГ, расчет и анализ основных показателей ВКГ, графики ортогональных плоскостей ВКГ и 3D-изображение, алгоритм программы расчета и анализа основных показателей ВКГ и построения ее ортогональных проекций, выводы.

2.6 Контрольные вопросы и задания

1. Что представляет собой векторная петля?

2. Дайте определение – векторкардиграфия.

3. Назовите последовательность процесса деполяризации желудочков в целом миокарде.

4. В каких ортогональных плоскостях записывается пространственная ориентация векторной петли?

5. Какие показатели входят в расчеты пространственной ориентации векторной петли?

6. Назовите основные достоинства компьютерной системы анализа ортогональной векторкардиограммы.