Post on 27-Feb-2019
90-924 Łódź, ul. Wólczańska 211/215, bud. B9tel. 042 636 0065 www.eletel.p.lodz.pl, ie@p.lodz.pl
Paweł Strumiłło
Analiza sygnału EKG i modelowanie pracy sercaAnaliza sygnału EKG i modelowanie pracy serca
2/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
Obiekt badań Przestrzeń danych i sygnałów
Diagnoza medyczna
Diagnoza medyczna - zagadnienie odwrotne
Y
Θ Θ Θ Θ: X→→→→ Y
Modele
(parametryczne,
nieparametryczne)
Θ Θ Θ Θ-1: Y→→→→ X^
3/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
Echokardiografia
BSM© R. McLeod
MRI
RVLV
Aarhus University Hospital
Koronarografia
© ACCF
Badania radioizotopowe
© Yale University
Fonokardiografia
© PZWL
Badania hemodynamiczne
© PZWL
EKG
Obrazy i sygnały w diagnostyce serca
4/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
Metody analizy i modelowania sygnałów
Analiza łączona
Metody nieparametryczne:
FFT, DFT
Metody parametryczne:
AR, MA, ARMA, NARMA
Analiza statystyczna
Morfologia sygnału
Filtracja liniowa i nieliniowa
• STFT • STGT • WT
• WVD
DZIEDZINA CZĘSTOTLIWOŚCI
DZIEDZINA CZASU
• miary chaosu deterministycznego
• analiza fraktalna
• mapy powrotne
DYNAMIKA NIELINIOWA
Analiza łączona
Metody nieparametryczne:
FFT, DFT
Metody parametryczne:
AR, MA, ARMA, NARMA
Analiza statystyczna
Morfologia sygnału
Filtracja liniowa i nieliniowa
• STFT • STGT • WT
• WVD
DZIEDZINA CZĘSTOTLIWOŚCI
DZIEDZINA CZASU
• miary chaosu deterministycznego
• analiza fraktalna
• mapy powrotne
DYNAMIKA NIELINIOWA
5/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
∆t ∆t
Ωn Ωn+1
Odwzorowanie Poincaré sygnału EKG
Ωn, Ωn+1, Ωn+2, . . .
Orbita o podwojonym okresie (2:1)
( ) ( )( )ttxttx QRSnQRSn ∆+Ψ=∆++1
Alternans załamka T (TWA)
6/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
1
N~100
detekcjaQRS
QRS
T
P
0 0.5częstość/cykl
alternans
FFT
Widmo mocy
1 . . . . m=7
Analiza widmowa i przecięcia Poincaré
DTWAxi+1
xi
Mapa Poincare
Poincare
P. Strumiłło, J. Ruta, "Poincare mapping for detecting abnormal dynamics of cardiac
repolarization", IEEE Eng. in Med. and Biol. Mag., vol. 21, no. 1, pp. 62–65, 2002.
7/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
÷
t [s]
V1
-V
6
0.30
EKG
V V
t [s]
V1
-V
6
0.30
TWA(TWA(-- )) TWA(+)TWA(+)
~60µµµµV~60µµµµV
Czasowo-przestrzenna rekonstrukcja zmienności załamka T
© PZWL
Wskaźniki Wskaźniki
PoincarePoincareV1V1
V6V6
czas
V5
V6
V4
V3
V2
V1
8/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
-200
0
200
P
QRS
T
Sala 70Sala 70
Skala 30Skala 30
Skala 15Skala 15
Kaskada filtrów medianowych
9/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-1000
0
1000
2000
m=1
Detekcja obniżenia odcinka ST-T
Skala 1
Skala 70
P. Strumiłło, “Nested median filtering for detecting T-wave offset in ECGs”, Electronics Letters,
4th July 2002, vol. 38, no. 14, pp. 682–683.
10/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
Szereg czasowy zmienności rytmu serca (HRV)
Histogram of SINGLE.RRI from 0 to 351 s
RR Interval (ms)
110010501000950900850800750700650600
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Sygnał niestacjnarny
Sygnał niestacjonarny, okres próbkowania ~1s
11/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
„duża częstotliwość” (HF):
• aktywność nerwu błędnego
• arytmia oddechowa
„Mała częstotliwość” (LF):• aktywność układu wegetatywnego
• receptory ciśnienia krwi
• pozycja ciała, głowy
• stres, wysiłek psychiczny i fizyczny
Szereg czasowy zmienności rytmu serca (HRV)
LF/HF
12/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
kk--33 kk--22 kk--11 kk k+k+11 k+2k+2
warstwa pobudzająca
warstwa hamująca
( )kjjjkj
jV
dt
dϕϕω
ϕ−∆+=
Równanie fazowe:
funkcja odpowiedzi fazowej
Łańcuch sprzężonych oscylatorów – model systemu bodźcotwórczego
©Texas HeartInstitute
13/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
Synchronizacja sprzężonych oscylatorów
P. Strumillo, M. Strzelecki, "Application of coupled neural oscillators for image texture segmentation and biological rhythms
modelling", International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, vol.16, No.4., 2006, pp. 101-111
14/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
rytm prawidłowy
Model pobudzenia elektrycznego tkanki serca
( )
( )ieii
ieee
x,xgxDt
x
x,xfxDt
x
+∇=∂
∂
+∇=∂
∂
2
2
2
1
Równanie reakcji-dyfuzji:
15/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
Migotanie komór – atak serca
migotanie komór
( )
( )ieii
ieee
x,xgxDt
x
x,xfxDt
x
+∇=∂
∂
+∇=∂
∂
2
2
2
1
Równanie reakcji-dyfuzji:
16/16
Analiza EKG i modelowane pracy serca
P. Strumiłło, Posiedzenie SSUiSE KEiT PAN, Warszawa, 20 listopada 2009
WnioskiWnioski
• Renesans elektrokardiografii
[P. Macfarlane: ”Renaissance in electrocardiography”, The Lancet, 1999]
• Podejście - MMM (Multivariate Multiorgan Multiscale)
Fizjologia (patologia) organizmu wynika z interakcji wielu organów
np. analiza fizjologii snu,zmęczenia
Wiele modalności
np. fMRI+EKG,MRI + PET
Analiza w różnych skalach (rozmiaru i czasu)
np. syndrom QTjako wynik mutacji genowej lub zaburzonej koncentracji Na+,
zaburzenia snu (pory roku, rytmy dobowe, rytmy serca,..)
Potrzeba budowania interdyscyplinarnych zespołów badaczy