Введення. Повторювані метрологічні характеристики будь-якого діагностичного методу є обов'язковою умовою для його успішного розвитку. В останнє десятиріччя в біомедичних дослідженнях все ширше використовується метод оцінки різних характеристик функціонального стану організму за даними показників варіабельності серцевого ритму (ВРС). Не дивлячись на те, що цей діагностичний метод застосовується в наукових дослідженнях з 60-х років минулого сторіччя, до цих пір не вирішені ціла група проблемних методичних питань.

Найскладніше оцінити якість обчислення спектральних характеристик (СХ) ВРС. В Україні, як і в інших країнах, відсутні органи державного метрологічного контролю обчислень СХ ВРС, але існують різні рекомендації по виконанню такого тестування.

У загальновідомих міжнародних рекомендаціях по застосуванню методики ВРС [1] в розділі «Точність і стандартизація комерційного устаткування» рекомендується для тестування використовувати тестові послідовності кардіоінтервалів (ТПК) із заданими параметрами ВРС, тобто ті, які генерує комп'ютерна програма. У Російських рекомендаціях 2001 р. указується на невирішеність проблеми метрологічного тестування різних програм аналізу ВРС, пропонується використовувати якийсь прилад, що розробляється, «HRV-тест, який включає набір реальних ЕКГ-сигналів, що генеруються, а також результати їх обробки стандартною програмою аналізу ВРС» [2. с.76].

На круглому столі міжнародного симпозіуму по ВРС (Харків, 2003) нами була позначена актуальність проблеми відсутності повторюваності результатів спектрального аналізу ВРС при використанні приладів різних виробників і запропонована програма дій для розробки відповідної системи метрологічної атестації. Надалі нами був розроблений [3] генератор еталонних послідовностей кардіоінтервалів із заданими спектральними характеристиками і на прикладі перевірки російської програми з відкритим імпортом кардіоінтервалів (ORTO Science, v4.9.61, м.Іжевськ) показана суть методичної проблеми [4]. У 2005 році на кворумі фахівців в м. Харків (23-25.05.2005) ми виклали проект механізму метрологічної атестації програм розрахунку СХ ВРС і запропонували зацікавленим виробникам відповідних програмних продуктів пройти таку незалежну атестацію. На жаль, жоден з виробників систем аналізу ВРС в Україні, окрім автора програми Кардіоспектр, до цих пір не представив свої програми для тестування. У зв'язку з цим нами був створений програмно-апаратний комплекс, що дозволяє виконати тестування програм, в яких відсутній режим імпорту інтервалограм.

Мета: забезпечення повторюваності результатів спектрального аналізу в різних приладах і програмах аналізу спектру ВРС.

Методи. Для забезпечення метрологічної оцінки СХ систем або програм ВРС нами був використаний відомий в техніці метод вимірювання моночастотним сигналом з еталонною частотою і потужністю. З цією метою були розроблені вимірювальні програмні і апаратні засоби. Вони дозволили генерувати і вводити в досліджувані прилади  еталонні тестові послідовності QRS-комплексів.

Спеціальна програма генерує ТПК із заданими частотними характеристиками з точністю 1мс. Ці сигнали з COM-порту комп`ютера:

·         або поступають на пасивний ЕКГ-перетворювач, який їх перетворює на ЕКГ-сигнали.

·        або управляють (синхронізують) спеціальний мікропроцесорний пристрій, який з дискретністю 10 мкс також симулює QRS-комплекси амплітудою 3 мВ.

Реалізація. В цій статті розглядається використання програмно-апаратного симулятора  з пасивним ЕКГ-перетворювачем.

В нашій попередній дискусії ми говорили про той випадок, коли потрібно протестувати програму, яка вже має імпорт кардіоінтервалограм. Для цього за допомогою програмного генератора каліброваних RR-послідовностей, які відповідали заданим спектральним параметрам, формувались текстові файли із їх значеннями, далі імпортувались в досліджувану програму, там оброблялись і одержувались результати обробки. На схемі (рис. 1) ця точка вказана як "імпорт RR".

Рис. 1

Розглянемо тепер випадок, коли в HRV-системі такого імпорту немає. Вона має лише один вхід - власне вхід електрокардіосигналу. На рис. 1 ця точка позначена як "Симулятор ЕКГ". Спираючись на матеріали нашої попередньої дискусії, маємо випадок, коли нам потрібен калибрований по спектральних параметрах електрокардіосигнал. Цей сигнал, з однієї сторони повинен бути подібним за формою до звичайної (нативної) ЕКГ для того, щоб HRV-система мала можливість його правильно обробити. З іншого боку, він повинен мати калібровані послідовності RR-інтервалів, які б відповідали певним спектральним показникам.

Враховуючи, що уведення цього сигналу має відбуватись через ЕКГ-вхід діагностичної системи, стає зрозумілим, що в даному випадку вже просто файлом не обійтись. Потрібен певний пристрій (ЕКГ симулятор), який би генерував ЕКГ і до якого можна було би приєднати електроди ЕКГ-відведень.

В такому випадку одержуємо наступну схему метрологічної атестації HRV-системи (рис 2.).

Рис. 2

Як слідує із цієї схеми, для метрологічної атестації HRV-системи, необхідно мати програмний генератор (ПГ) каліброваних RR-послідовностей і симулятор ЕКГ. В ПГ вводяться необхідні спектральні параметри (напр. P=1000 мс2, F=0.04 Гц і т.д.). Вони перетворюються на відповідну послідовність RR-інтервалів, яка відповідає завданому спектру, а далі симулятор ЕКГ у завдані ПГ часові моменти генерує по одному QRS-комплексу.

Фактично, ПГ виступає так би мовити синхронізатором, або "синусовим вузлом" такої системи.

Одержана ЕКГ через кабелі відведень надходить до тестованої HRV-системи, в ній обробляється, а одержані таким чином результати обробки тестової ЕКГ можуть використовуватись для обрахунку її метрологічних характеристик.

Наведена вище ідея була реалізована за допомогою спеціально розробленого програмного ЕКГ-HRV еталону (рис. 3), який виводить в COM-порт комп`ютера еталонну ЕКГ, що відповідає завданим параметрам. Електричні сигнали з COM-порту комп`ютера надходять на спеціальний електричний пристрій, який забезпечує гальванічну розв`язку і перетворює їх на електричні рівні порядку 1 мВ.

Математичний апарат формування каліброваних спектральних послідовностей в цій програмі аналогічний до описаного в першій статті. Різниця полягає в тому, що він доповнений симулятором ЕКГ із виходом на COM-порт комп'ютера.

Окрему проблему при створенні симулятора склала вимога відностно високої точністі формування RR-послідовностей. Похибка не мала перевищувати 1 мс. Для багатозадачної операційної системи як Windows - це складає певну проблему.

Для її розв'язання в програмі прийшлось піти на деякі хитрощі, в т.ч. задіяти таймер операційної системи високої роздільної здатності і повністю блокувати роботу комп`ютера на час симуляції ЕКГ.

Як слідує з рис. 3, програма має три пари полів для введення необхідних потужностей і їх частот, поле із зображенням вибраного семплу ЕКГ, поле для введення ЧСС і набір прапорців для вибору режиму роботи (к-сть ЕКГ-каналів, режим генерації однієї послідовності або зациклений режим, вмикання/вимикання звукових сигналів, вибір COM-порта).

Права кнопка миші вмикає контекстне меню, однією із опцій якого є обов'язкове одноразове калібрування програми до продуктивності комп'ютера, на якому вона встановлюється.

Точність генерації тестових RR-послідовностей була виміряна за допомогою прецизійного частотометру Ч3-34 і склала не гірше 1 мс на комп'ютерах класу від P2 і вище. Такої точності генерації RR-інтервалів стало достатньо для проведення вимірювань HRV-параметрів починаючи з потужностей 1-2 мс2.

Рис. 3

На рис. 4 представлений один із варіантів схеми для перетворення сигналів COM-порта (DTR і RTS) на ЕКГ-сигнал з рівнями порядка 1 мВ. Як видно, власне перетворювач має дві оптопари для забезпечення гальванічної розв'язки між комп'ютером і електрокардіографом. Резистори 10 КОм і конденсатори 0.5 мкФ утворюють згладжувальні фільтри для перетворення широтно-імпульсно модульованих сигналів, що надходять від комп'ютера на аналогові, тобто ЕКГ-сигнали.

Як видно, цей пристрій має два вихідних канали. В залежності від обставин, до них під час випробувань певної HRV-системи, можна підключати електроди електрокардіографа в тих чи інших комбінаціях.

Рис. 4

Сама програма має в своєму складі 10 семплів ЕКГ різних форм, а такох може просто генерувати замість QRS-комплексів прямокутні імпульси тривалістю 100 мс.

Переписати програму можна тут.

Література

1.       Heart Rate Variability. Standarts of Measurements, Physiological Interpretation, and Clinical Use //Eur. Heart J.- 1996, V.17.- P.354-381.

2.       Р.М. Баевский и др. // Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных элетрокардиографических систем (Методические рекомендации) // Вестник аритмологии.-№24.- 2001 .-с.65-87.

3.       Воробьев К.П., Паламарчук Е.А. К вопросу о стандартизации методов спектрального анализа кардиоинтервалограмм, 2003 ( http://www.pallar.com.ua/docs/hrvteach_u.php и www.pallar.com.ua/docs/hrvteach_u2.php).

4.       Паламарчук Є.А., Воробйов К.П. Верифікація механізму обрахунку спектральних характеристик віріабельності серцевого ритму в діагностичних системах за допомогою програмного еталону гармонічних сигналів. // Клиническая информатика и телемедицина -2004. Т1.- с.41-46.

5.       Воробьев К.П., Паламарчук Е.А. Проект механізму метрологічної атестації програм розрахунку спектральних характеристик варіабельності серцевого ритму (программный доклад научно-практической конференции "Компьютерная медицина 2005", на Харьков, 23-25.05.2005 (http://www.vkp.dsip.net/Papers/HRV_Ch_05.html).

6.       Хрипаченко І.А. Нейрогуморальна регуляція та оптимізація ії оцінки у хворих на синдром поліорганної недостатності" Автореферат дис. докт. мед. наук, 14.01.30 - анестезиологія і інтенсивна терапія, м.Днепропетровськ.- 2007.-40с.

7.       К.П.Воробьев, Е.А.Паламарчук. Результаты независимого тестиования трех программ вычисления показателей вариабельности сердечного ритма. Український медичний часопис. 3(59), V/VI, 2007,С.45-50

8.     Воробьев К.П., Сорокин Ю.Н. Зависимость характеристик вариабельности ритма сердца при рассеянном склерозе от возраста, половой принадлежности и тяжести состояния // Український медичний часопис.- 2006.- №2.-С.89-94 (www.umj.com.ua).