پزشکی بالینی

روش هاي توليد سيگنال الکتروکارديوگرام (‏ECG‏)

در سال هاي اخير توجه زيادي به توليد مصنوعي سيگنال هاي الکتروکارديوگرام(‏‎ (ECG‎به کمک مدل هاي رياضي معطوف شده است . يکي از کاربردهاي مدل هاي ديناميکي که سيگنال هاي ‏ECG‏ مصنوعي توليد مي کند، ارزيابي آسان دستگاه هاي پردازش سيگنال تشخيصي ‏‎  ECGاست.

همچنين بايد مدل از توانايي لازم براي توليد سيگنال هاي ‏ECG‏ طبيعي و غير طبيعي برخوردار باشد.اختلاف پتانسيل ثبت شده بين دو الکترود که روي سطح پوست قرارداده شده اند، به الکتروکارديوگرام ‏‎(ECG)‎‏ سطحي معروف است . دي پلاريزاسيون/ ري پلاريزاسيون هاي دهليزي و بطني متوالي که در هر دوره قلبي اتفاق مي افتد قله و دره هايي در يک سيکل منفرد سيگنال ‏ECG‏ طبيعي ايجاد مي کند . اين قله ها و دره ها با حروف ‏T,S,R,Q,P‏ نام گذاري مي شوند.‏
تنوع ضربان - ضربان در ‏RR‏ داخلي ، تنوع درمحدوده مقياس زماني از ثانيه تا روز است بعضي از اين تغييرات به خوبي قابل درک هستند و برگرفته از :‏
‏1- حمله قلبي بين مکانيزم کنترل متفاوت فيزيولوژي از قبيل آريتمي سينوس تنفسي ‏‎(RSA)  ‎‏ و موج هاي مايراست.
2- ميزان فعاليت فيزيکي و ذهني
3- ريتم ‏circadian‏
4- اثرات مراحل مختلف خواب
انتشار ضربان قلب از گره سينوسي - دهليزي به دهليزها و سپس به دسته دهليزي بطني هيس و سرانجام به بطن ها همراه با تغييرات پتانسيل الکتريکي است که مي توان آن را در فاصله اي دورتر از قلب ثبت کرد. منحني تغييرات الکتريکي قلب را الکتروکارديوگرام يا به اختصار ‏ECG‏ مي نامند .‏
سيستم اعصاب مرکزي ‏‎(ANS) ‎‏ مسئول تنظيم کوتاه مدت فشار خون  است . ‏ANS، قسمتي  ‏
از سيستم اعصاب مرکزي ‏‎(CNS) ‎‏ است. ‏ANS‏ از دو زير سيستم سمپاتيک و پاراسمپاتيک استفاده مي کند. سيستم سمپاتيک در شرايط استرس فعال مي شود تا نرخ ضربان قلب را بالا ببرد . سيستم سمپاتيک مي تواند نرخ ضربان قلب را تا 180 ضربان دردقيقه ‏‎(bpm)‎‏ بالا ببرد ‏‎.‎فيبر هاي عصبي سمپاتيک تمام قلب از جمله گره سينوسي - دهليزي ، گره دهليزي - بطني ، مسير هاي هدايتي و عضلات دهليزي و بطني را تحت تاثير قرار مي دهد‏‎.‎‏ با افزايش فعاليت سمپاتيک نرخ ضربان قلب و نيروي انقباضي افزايش مي يابد. به علاوه ميزان هدايت قلب افزايش و مدت انقباض آن کاهش مي يابد. در مقابل ، سيستم پاراسمپاتيک در زمان استراحت فعال مي شود و مي تواند نرخ ضربان قلب را تا ‏bpm‏ 60 پايين بياورد. سيستم پاراسمپاتيک مسير هاي هدايت دهليزي - بطني و عضلات دهليزي‎ ‎را تحت تأثير قرار  مي دهد‏‎.
‎روش هاي مختلفي براي توليد سيگنال وجود دارد که مي توان به دو بخش عمده خطي و غير خطي تقسيم کرد.
چند نمونه از روش هاي غير خطي به صورت ذيل است:
روش ‏MC sharry‏ ، شبکه عصبي، ‏IPFM‏ ، مدل ديناميکي، مدل ‏zeeman، مدل ترکيبي ‏GCM‏ و از روش هاي خطي نيز مي توان به روش هاي پارامتري مانند مدل هاي ‏AR,ARMA,‎‏ نام برد.‏
مدل ‏McSharry‏  يک سيکل جدي در فضاي سه بعدي ‏‎(x,Y,Z)‎‏ ايجاد مي کند به طوري که هر حرکت کامل روي آن متناظر با يک سيکل قلبي در نظر گرفته مي شود. تصوير مسير حرکت روي صفحه ‏x-y‏ يک دايره است. تصوير اين حرکت روي محور ‏z‏ ، سيگنال ‏ECG‏ را فراهم مي کند.‏
‎ ‎در مدلIPFM‏ از ورودي انتگرال گرفته مي شود تا هنگامي که  حاصل انتگرال به سطح آستانه اي برابر ‏TH‏ برسد، در اين زمان پالسي به عنوان ضربان قلب مي شود. سطح آستانه ‏Th‏ را مي توان با يک توزيع تصادفي گوسي انتخاب کرد. ورودي انتگراتور مجموع دو سيگنال است . يکي ‏m(t)‎‏ که بيانگر فعاليت اعصاب سمپاتيک و پاراسمپاتيک است و ديگري ‏‏ که به‏‎ ‎عنوان يک ورودي داخلي براي گره ‏SA‏ در نظر گرفته مي شود. هنگامي که ‏m(t)‎‏ برابر صفر باشد ، پالس هاي توليد شده داراي فرکانس متناسب با ‏‏ خواهد بود. البته بايد توجه کرد که  بايد همواره مثبت باشد. بلوک دياگرام مدل ارائه شده براي توليد ‏HRV‏ توسط ‏IPFM‏ به صورت روبه رواست.
در مدل غير خطي از مبناي شبکه هاي عصبي براي توليد سيگنال الکتروکارديوگرام همراه با شبکه عصبي با توابع شعاعي ‏‎(RBF) ‎‏ در يک مدل ديناميکي غير خطي که بر پايه مدل ديناميکي ‏Mc Sharry ‎‏ و همکاران بنا شده است استفاده شده که ، روش مناسبي براي توليد مصنوعي سيگنال هاي الکتروکارديوگرام است.‏
درروش مدل ‏zeeman‏  يک مدل جبراني براي توليد سيگنال ‏ECG‏ مصنوعي مطرح شده است .  اين مدل اثر آريتمي سينوسي تنفسي ، موج هاي ماير از همه مهم تر مولفه فرکانس پايين در طيف توان ‏HRV‏ را دخالت داده است . در مدل ، اثرات فعاليت هاي سمپاتيک و پاراسمپاتيک در مولفه هاي ‏LF , HF , VLF‏ در طيف توان ‏HRV‏ شامل مي شود . 
درروش توليد سيگنال ‏ECG‏ با استفاده از مدل ترکيبي گوسين ‏‎(GCM)‎‏ براي توليد الکترو کارديو گرام ‏‎(ECG)‎‏ مولد سيگنال ويژگي هاي مورفولوژي ‏ECG‏ را در اطراف نقاط اکسترمم بيان مي کند. دو روش براي تعداد شناسه هاي گوسين وجود دارد:1 روش  دستي : اپراتور تعداد گوسين ها را در اين مدل پيشنهاد مي کند .2 روش اتوماتيک : تعداد گوسين ها به طور اتوماتيک شناسايي شده و بر پايه خطاي نهايي مطلوب است.
در توليد ‏ECG‏ با استفاده از روش ‏GCM‏ بايد تطبيقي بين صحت و زمان اجرا شدن وجود داشته باشد. نتايج تطبيق در اين روش به تعداد گوسين ها بستگي دارد.
‏HRV‏  به عنوان يکي از مهم ترين راه ها براي در نظر گرفتن سيستم قلبي - عروقي و کنترل آن است. ‏HRV‏ به ضربان - ضربان نرخ قلب به عنوان استخراج از ضربان هاي پيوسته زمان داخلي ، ‏RR‏ داخلي و حدود مقدار ميانگين ‏‎ (HR - RR)‎است.‏
طبقه بندي سري زماني يکي از مسائلي است که کاربرد وسيعي در زمينه هاي متنوع دارد و اخيراً مورد توجه بسياري از محققان بوده است. تحقيق هاي اخير برروي طبقه بندي داده هاي استخراجي از مدل هاي ‏ARMA‏ با استفاده از الگوريتم هاي ‏K-means‏ و ‏K-medoids‏ با فاصله اقليدسي بين پارامترهاي تخميني مدل، تمرکز شده است. در اين تحقيقات ثابت شده که طبقه بندي به وسيله ديتاي برش خورده، مزاياي زير را به دنبال خواهد داشت:
* اگر سري ها به اندازه کافي بزرگ باشد، طبقه بندي با برش دادن ديتاها صحت کمتر بارزي نسبت به طبقه بندي با ديتا هاي برش نخورده  ندارد.
* فرم طبقه بندي به وسيله ديتاهاي برش خورده بهتر از زماني است که حداقل يک احتمال کوچکي از داده هاي پرت وجود داشته باشد.
* فضاي مهم و پيشرفت پيچيدگي زماني قابل دسترسي‏ است.
*  الگوريتم هاي پيشرفته براي گسسته يا ديتاهاي گروهي مورد استفاده قرار مي گيرد.
* طبقه بندي‏ بر روي ديتاهاي ‏Clipped‏ شده به عنوان روش تشخيصي براي داده هاي پرت و شناسايي مدل هاي غير خاص به کار مي رود. ‏
  
  
شکل 1- اتصال سيستم عصبي به قلب

شکل2- مسير حرکت نمونه توليد شده توسط مدل ‏Mc sharry

شکل3-  بلوک دياگرام مدل ‏IPFM

شکل4- بلوک دياگرام مدل ارائه شده براي توليد ‏HRV‏ توسط ‏IPFM

شکل5- يک نمونه از حرکت مدل غير خطي

شکل6- نمودار تعداد شناسايي ويژگي گوسين

شکل7- صحت طبقه بندي

منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۸۵