Раздел "Кибернетическая кардиология" : Исторический обзор работ по автоматизированному анализу ЭКГ как временного ряда

I

Интерес медиков к сердечной деятельности возник давно. Еще в древние времена была замечена высокая информативность диагностических критериев, основанных на анализе сердечного ритма. Искусством пульсовой диагностики владели, например, в Древнем Китае и в Древней Греции. В трактате "Нэй цзин" [l040719a] сказано: << пульс - это внутренняя сущность ста частей тела, самое тонкое выражение внутреннего духа >>. Но если древняя медицина владела искусством распознавания различных патологических состояний организма по непосредственному, интуитивному анализу пульсовой волны - сигналу, регистрируемому исследователем непосредственно по ощущениям пальцев своей руки, размещенной в определенном положении на запястьи обследуемого, - то современный этап изучения организации сердечного ритма связан с развитием объективных методов исследования деятельности сердца, в том числе и электрических проявлений деятельности сердца - т.н. "электрической активности сердца".

Уже более века большое значение для исследований сердечной деятельности имеет регистрация электрических проявлений сердичной деятельности (т.н. электрическая активность сердца). Регистрация электрической активности сердца на поверхности кожи, как известно, называется электрокардиографией, а регистрируемые при этом сигналы называются электрокардиограммами (сокращенно: ЭКГ). Открытие итальянским ученым Л.А. Гальвани (1737-1798) "животного" электричества вызвало прорыв в физиологических исследованиях и положило начало электрофозиологии. Первая ЭКГ человека была записана Веллером в 1887 г., а в 1908 г. Самойлов вводит абревиатуру "ЭКГ" [l040719b]. В настоящее время электрокардиография является важным методом исследования сердечной деятельности как в научных целях, так и в целях врачебной диагностики. В первые полвека своего развития электрокардиология в основном использовала качественные описательные характеристики ЭКГ.

Широкое распространение получило параметрическое описание сигнала ЭКГ, в основу которого было положено свойство цикличности сердечной деятельности. Поскольку нормальная сердечная деятельность носит циклический характер, то ЭКГ представляет собой последовательность гомологичных участков, т.е. участков, соответствующих некоторому заданному фазовому промежутку кардиоцикла (в том числе и целому кардиоциклу). Современный параметрический способ описания ЭКГ заключается в разбиении ЭКГ на такие гомологичные участки, последующем определении простых параметров этих гомологичных участков (таких, например, как амплитуда и длительность каждого из них) и сравнении измеренных значений параметров со значениями этих параметрами, принятыми в качестве статистической нормы. Для нормальной ЭКГ за типичными гомологичными участками ЭКГ исторически закреплены специальные названия: P-зубец, PQ-интервал, QRS-комплекс, сегмент ST и т.п.

Примерно со второй половины ХХ века стали активно развиваться методы количественного анализа электрической активности сердца. Так была заложена основа кибернетической кардиологии.

Начало кибернетической кардиологии неразрывно связано с работами "отцов" кибернетики Норбертом Винером и Артуром Розенблютом. Именно они впервые разработали математические и идейные основы анализа временных рядов, в том числе и нестационарных, какими обычно являются сигналы, регистрируемые с биологических объектов во время научных и врачебных исследований.

II

В последние десятилетия при анализе ЭКГ все чаще применяются математические методы. В частности, используются классические методы анализа временных рядов, например, вычисление статистических параметров последовательности RR-интервалов или спектрального распределения энергии. Развитие теории хаоса ввело набор новых средств анализа ЭКГ: определение сечения Пуанкаре, реконструкция фазового портрета, вычисление показателя Ляпунова и энтропии Колмогорова и др. Встречаются и многочисленные попытки применения для анализа ЭКГ "нестандартных" методов анализа временных рядов. В качестве примера можно привести попытку использования так называемого DFA-метода для анализа последовательностей RR-интервалов при длительной (многочасовой) регистрации ЭКГ [l040719l]. В 2001 году нами был предложен [l040719e]. новый метод анализа ЭКГ, количественно оценивающий воспроизводимость фазового интервала ЭКГ в последовательности кардиоциклов (свойство ЭКГ, которое в настоящее время обычно называют "степенью полиморфности"). Этому методу было дано условное название "метод анализа нормированной изменчивости" (АНИ-метод). Мы применили АНИ-метод оценки электрической стабильности сердца во время экспериментальной желудочковой тахикардии [l040719d].

Каждый из подобных подходов к анализу ЭКГ по сути своей реализует фильтрацию сигнала [l040719r] ЭКГ, пытаясь выделить таким образом из ЭКГ его информативный параметр.

Напомним, что сигнал - это изменяющаяся во времени физическая величина, описываемая функцией времени, один из параметров которой содержит информацию о другой физической величине, например измеряемой. Такой параметр сигнала (функции) называют информативным, а физическую величину, которой представлен сигнал, - носителем сигнала (несущей сигнала); сигнал имеет размерность этой величины [l040719c].

Существующие в настоящее время методы количественного анализа ЭКГ можно принципиально следует делить на две группы:
1) методы первичного анализа ЭКГ;
2) методы вторичного анализа ЭКГ.

В первом случае производят анализ непостредственно ЭКГ. Во втором случае производят анализ информативного параметра, выделенного в процессе первичного анализа ЭКГ. По существу, при вторичном анализе ЭКГ, на первом шаге из сигнала ЭКГ путем фильтрации выделяется некоторый новый сигнал, представляющий собой сообщение о каком-либо процессе, в общем случае отличном от электрической активности сердца, но модулирующем эту активность. На втором шаге осуществляется анализ уже этого нового сигнала, "вторичного" по отношению к исходной ЭКГ.

Широко известным и весьма популярным в настоящее время направлением вторичного количественного анализа ЭКГ является так называемый "анализ вариабельности сердечного ритма" (ВСР-анализ). АНИ-метод также относится к группе методов вторичного анализа ЭКГ.

III

Популярность ВСР-анализа в значительной мере обусловлена легкостью выделения из ЭКГ сообщения о последовательности RR-интервалов (т.н. ритмограмма), которые с приемлемой точностью отражают деятельность синусового узла, в том числе и модуляцию деятельности СУ управляющими нейро-гуморальными воздействиями. Первым этапом количественного анализа организации ритма СУ было всестороннее изучение его статистических характеристик. Постепенное накопление результатов экспериментальных и клиническикх исследований, а также развитие математических методов привело к стандартизации методов ВСР-анализа [l040719g].

Все математические оценки ВСР-анализа деляться на два типа. К первому типу относят статистические показатели вариационного ряда ритмограммы: среднее арифметическое значение, среднеквадратичное отклонение, мода, амплитуда моды, вариационный размах. Ко второму типу относятся вторичные показатели ВСР-анализа: индекс вегетативного равновесия, вегетативный показатель ритма, индек напряжения, показатель адекватности процессов регуляции. Важная роль в развитии этих методов принадлежит Р.М. Баевскому [l040719s, l040719t, l040719u], который разработал методику оценки степени напряжения регуляторных механизмов разных уровней в процессе адаптации сердечно-сосудистой системы к случайно или постоянно действующим факторам внешней среды.

(продолжение следует...)