Aritmia-analízis Poincaré-ábrával – Arrhythmia analysis with Poincaré maps

Az eddigi bejegyzéseimben próbáltam rávilágítani arra, hogy miként lehetséges az EKG egyes paramétereit azonosítani és megjelölni. Egy EKG-feldolgozó rendszer azonban többet nyújt, mint csupán azonosítást (előfeldolgozást), azaz a felismert jel-részleteket diagnózis felállítására kell felhasználni. Ennek értelmében megvizsgáltam a P, R és T hullámok hasznosíthatóságát. A következőkben az R hullámok helyzetének ismeretére támaszkodó módszert mutatok be, amely alkalmas szívritmus-zavarok (aritmiák) detektálására.

Bármilyen, a normális szívritmustól eltérő szívaktivitást aritmiának nevezünk. Fő kiváltó oka az aritmiáknak a szív elektromos ingerületvezető pályáinak az elváltozása. A különböző típusú aritmiákat jól lehet jellemezni az R csúcsok közötti távolsággal: . Az így kiszámolt távolságok sorozatát szívfrekvencia változékonyságnak nevezik (heart rate variability). Ideális esetben a távolságok egy igen szűk intervallumban mozognak, ami normális, hiszen az egészséges szív nyugalmi állapotban megközelítően konstans szívfrekvenciával működik. Abban a pillanatban, amikor az R hullámok közötti távolság erősen változni kezd, aritmiáról van szó.

Az R hullámok közötti távolságokat és azok változását jól lehet ábrázolni egy Poincaré-ábra segítségével. Ez egy olyan két dimenziós ábra, amely páronként ábrázolja az RR távolságokat: . Az így ábrázolt pontok különböző formákba csoportosulnak. A fenti megfigyelések a következőképpen fordíthatók le a Poincaré-térkép nyelvére:

• A normál szinuszritmus Poincaré-ábráján az első szögfelező mentén elhelyezkedő pontokat fogunk látni; ezek kör- vagy ellipszisformába csoportosulnak
• Bármely más szívritmusnak megfelelő Poincaré-ábra egy vagy több formát is tartalmazhat az első szögfelezőn elhelyezkedő mellett.

A két esetet az 1-es és a 2-es ábra szemlélteti. A Poincare-ábra nyújtotta lehetőségeket T hullám alternáns felismerésére és értékelésére is lehet használni. Ebben az esetben az ábrát a T hullám-párok amplitúdói adják és az elemzés során a normálistól eltérő alakzatokat keresünk. A T hullám alternáns detektálása hasznos lehet a hirtelen szívhalál elkerülését segítő defibrillátorok beültetéséhez.

Up until now I tried to shed some light on why and how the parameters of an ECG can be identified. However, an ECG processing system offers more than just identifying and localizing ECG features, i.e. the extracted features have to be used for diagnosing the patient. For this I have looked for the usefulness of the P, R and T waves. In the following section I will present a very interesting and useful method that makes use of the position of the R waves in order to detect arrhythmia.

Basically, any kind of heart activity that differs from the normal sinus rhythm, is called arrhythmia. In the background of most arrhythmia there is a problem of the heart’s electric circuitry. Different types of arrhythmia can be characterized by the time elapsed between two R peaks: . The series obtained from these values is called the heart rate variability (HRV). Ideally, in the case of sinus rhythm, these values vary in a relatively narrow interval, which is logical, because in resting position the human heart beats in an approximately uniform manner. When the interval of RR values enters a larger interval, we can surely talk about some kind of arrhythmia.

The distances between R waves and their variability can be displayed on Poincaré-plots. Such a plot is a two dimensional representation of RR distance pairs: . There is no temporal information in these plots. The points on a Poincaré-plot are organized into different shapes. The observations stated in the previous paragraph translate to the Poincare-plot world as follows:

• The normal sinus rhythm appears on the Poincare-plot on the first bisector as a symmetrical blob;
• Any other blobs that appear on the plot are a sign of arrhythmia. For example, a principal blob and a side blob may suggest an alternating rhythm pattern.

The two cases (i.e. normal and abnormal) are shown on fig. 1 and 2.

Poincare-plot based analysis can also be applied in T-wave alternans detection. In this case pairs corresponding to amplitudes of T-waves are shown on the plot and malformed shapes are being searched after. Detecting T-wave alternans can be really useful to avoid sudden cardiac death by implanting a defibrillator.

Ajánlott olvasmány – Recommended reading

1. Li Fei, Zhao Jie, Jia Hui-Lin, Zhang Chun-Yun and Zhu Xiao-Lei, Poincare Mapping: A Potential Method for Detection of T-wave Alternans, Procedia Environmental Sciences, vol. 8, pp. 575-581, 2011;
2. Agnieszka Kitlas Golińska, Poincaré Plots in Analysis of Selected Biomedical Signals, Studies in Logic, Grammar and Rhetoric, vol. 35 (48), pp. 117-127, 2013.

1. ábra – figure 1. – Normális szinuszritmusnak megfelelő Poincaré-ábra; Poincaré-plot corresponding to normal sinus rhythm

2. ábra – figure 2. – Pitvari fibrilláció egy rövid intervallumának megfelelő Poincaré-ábra; Poincaré-plot corresponding to a short interval of atrial fibrillation