Что вы подумаете, когда увидите на мониторе элевацию или депрессию ST?

(Урок по фильтрации верхних частот от Кристофера Уотфорда)

Объяснение от Кристофера Уотфорда, который является не только фельдшером с удивительными навыками ЭКГ, но и волшебником математики и компьютеров: What do you think when you see ST elevation or ST depression on the monitor? (A lesson on High Pass filtering from Christopher Watford)

@ECGWatford

https://twitter.com/ecgwatford 

Этот пациент находился под мониторным наблюдением, который показал вот такое:

Верхняя кривая соответствует V5.

Нижняя аналогична V1

Что вы думаете?

Депрессия ST здесь составляет около 30% высоты зубца R. Элевация ST составляет около 30% глубины зубца S.

Я хочу показать ординаторам, как плохо это коррелирует с ЭКГ в 12 отведениях, поэтому мы записали такую ЭКГ одновременно:

Элевация ST в V1 составляет менее 10% зубца S.

Депрессию ST в V5 измерить из-за артефактов немного сложнее, но скажем, что это 3 мм в контексте зубца R 32 мм, или около 10%

Нарушения ST у этого пациента являются постоянными и связаны с эффектом дигоксина.

Урок, который следует усвоить, заключается в том, что монитор часто сильно преувеличивает как элевацию ST, так и депрессию ST. Это связано с электронной фильтрацией и множеством инженерных решений, в которых я действительно не разбираюсь.

Но Кристофер Уотфорд очень хорошо это понимает, и поэтому я прошу Кристофера объяснить это:

Объяснение связано с «фильтрацией высоких частот». Это НЕ частота дискретизации (например, регистратор ЭКГ с 12 отведениями стандартно измеряет амплитуду 500 раз в секунду (500 Гц), что является частотой дискретизации.

Частота

Распространенной проблемой при интерпретации ЭКГ является удаление нежелательных артефактов и шума. Чтобы помочь в этом, наши кардиомониторы предоставляют средства для фильтрации записи ЭКГ. Большинство кардиомониторов выбирают подходящий фильтр в зависимости от ситуации. При выполнении рутинного мониторинга, когда важен только сердечный ритм, применяемые фильтры называются фильтрами режима монитора. При регистрации 12-отведения, требующего высокой точности записи, применяемые фильтры известны как фильтры диагностического режима. Помимо этого, мало внимания уделяется пониманию фильтрации ЭКГ. Этот пробел в образовании приводит к проблемам как для опытных, так и для неопытных специалистов.

«Представьте, что ЭКГ представляет собой уравнение вроде: 2x + 5y + z, а x, y и z — частоты. Теперь представьте, что ваш фильтр верхних частот вычел 2x из вашей ЭКГ. У вас останется 5y + z. Вот что вы бы видели.

«Рассматривая этот очень грубый пример, вы бы сказали, что фильтр был «полезным», если бы это вычитание удаляло только нежелательные части сигнала. Но что, если из 2x 1,5x был вашим сегментом ST?

«Или что, если фильтр не просто вычитает 2x, но также умножает все уравнение на 0,9 и добавляет 0,25x? Это ближе к реальности фильтрации в реальном времени. Вы вносите некоторые искажения из-за несовершенной математики».

Частота сигнала измеряется циклической скоростью или повторением и измеряется в герцах (Гц). Частота 1 Гц означает, что сигнал повторяется каждую секунду. Наши сердца производят электрическую активность, регистрируемую электродами в виде сигнала. Синоатриальный узел возбуждается с частотой примерно 50 - 90 в минуту, и ради этого сообщения мы скажем, что 60 ударов в минуту — это счастливая медиана. Это означает, что сердце имеет основную частоту 1 Гц при этой частоте сердечных сокращений. Следовательно, все компоненты ЭКГ (P, QRS и T) будут встречаться на этой частоте или выше.

Поскольку сигнал ЭКГ повторяется, каждый раз, когда сердечный цикл проходит через систолу и диастолу, мы можем разбить его на отдельные волны или гармоники. Этот процесс разложения сигнала на серию синусоидальных волн известен как анализ Фурье. Используя свойство суперпозиции, если вы сложите вместе достаточное количество этих гармоник, вы сможете воссоздать исходный сигнал.

Рисунок из Буэнда-Фуэнтес, 2012 г.

Каждая из гармоник (синусоид) имеет определенную амплитуду, частоту и фазу. Амплитуда — это величина сигнала, измеренная на ЭКГ в милливольтах (мВ). Частота обсуждалась ранее и представляет собой скорость повторения сигнала. Гармоники более низкой частоты имеют более высокие амплитуды, а гармоники более высокой частоты будут иметь более низкие амплитуды. Следовательно, низкочастотные компоненты ЭКГ играют наибольшую роль в наблюдаемой амплитуде на ЭКГ.

Фазу можно рассматривать как задержку перед началом сигнала. Подумайте о группе, поющей «В лесу родилась елочка», где каждый человек начинает после предыдущего. Мы можем сказать, что если два певца совпадают, то они находятся в фазе, а два, которые находятся в разных частях песни, не в фазе:

Заключение:

«Частота — это свойство сигнала, который вы записываете. ЭКГ — очень сложный сигнал. Мы можем разложить сложный сигнал на множество простых сигналов (синусоидальных волн). Каждый простой сигнал имеет частоту, амплитуду и фазу, что определяет анализ Фурье».

Какие электрические сигналы регистрируются на ЭКГ?

Как мы уже говорили, сигнал ЭКГ состоит из нескольких источников. Запись производится с помощью электродов на коже, которые фиксируют не только электрическую активность сердца. Основными улавливаемыми электрическими компонентами являются миокард, мышца, поверхность раздела кожа-электрод и внешние помехи.

Частоты компонентов ЭКГ

Общие частоты важных компонентов на ЭКГ:

• Частота сердечных сокращений: 0,67–5 Гц (т. е. 40–300 ударов в минуту)
• P-волна: 0,67 – 5 Гц
• QRS: 10 – 50 Гц
• T-волна: 1 – 7 Гц
• Высокочастотные потенциалы: 100 – 500 Гц

Общие частоты артефакта и шума на ЭКГ:

• Мышцы: 5 – 50 Гц
• Дыхание: 0,12–0,5 Гц (например, 8–30 ударов в минуту)
• Внешнее электричество: 50 или 60 Гц (сеть переменного тока или частота сети)
• Другое электрическое: обычно> 10 Гц (стимуляторы мышц, сильные магнитные поля, кардиостимуляторы с контролем импеданса)

Особого внимания заслуживает интерфейс кожа-электрод, так как он является самым большим источником помех, создающим постоянную составляющую 200-300 мВ. Сравните это с электрической активностью вашего сердца, которая находится в диапазоне от 0,1 до 2 мВ! Помехи, наблюдаемые от этого компонента, усиливаются при движении, либо при движении пациента, либо при изменении дыхания.

Наши сегменты ST представляют собой низкочастотные сигналы, точно так же, как блуждание изолинии. Мышечные и двигательные артефакты, как правило, имеют высокую частоту. Все остальное имеет тенденцию попадать между (P, QRS, T). Таким образом, выделив частоту примерно в пределах 0,5-40 Гц, мы можем действительно хорошо рассмотреть сердечный ритм, поскольку все важные компоненты попадают в этот диапазон, а все нежелательные артефакты выходят за его пределы.

Как анализ Фурье связан с фильтрацией ЭКГ?

Фильтрация на ЭКГ осуществляется четырьмя способами: фильтрация верхних частот, нижних частот, режекция и фильтрация синфазного сигнала. Фильтры верхних частот удаляют низкочастотные сигналы (т.е. могут пропускать только более высокие частоты), а фильтры нижних частот удаляют высокочастотные сигналы. Фильтры верхних и нижних частот вместе известны как полосовой фильтр, буквально пропускающий только определенную полосу частот. Режекторный фильтр используется для устранения линейной частоты и обычно печатается на ЭКГ (например, ~ 60 Гц). Подавление синфазного сигнала часто осуществляется с помощью провода от правой ноги, когда обратный сигнал трех электродов конечности отправляется обратно через электрод правой ноги.

Все фильтры вносят искажения в результирующий выходной сигнал. Это искажение может быть амплитудным или фазовым. Фильтры в кардиомониторах должны работать в режиме реального времени и поэтому не допускают задержек. Из-за этого выход фильтра демонстрирует нелинейные характеристики из-за требуемых более коротких задержек. По сути, они по-разному искажают разные частоты, вызывая фазовые искажения. Если фильтры применялись во время постобработки, когда вывод сигнала в реальном времени не требуется, конструкция этих фильтров может быть линейной, что минимизирует фазовые искажения.

Фильтры нижних частот на ЭКГ используются для удаления высокочастотных мышечных артефактов и внешних помех. Обычно они ослабляют только амплитуду высокочастотных компонентов ЭКГ. Аналоговая низкочастотная фильтрация заметно влияет на комплекс QRS, эпсилон-волну и зубцы J, но не изменяет сигналы реполяризации. Фильтры нижних частот, которые подавляют высокочастотные артефакты, имеют тенденцию ослаблять амплитуду ЭКГ.

Фильтры верхних частот удаляют низкочастотные компоненты, такие как артефакты движения, вариации дыхания и дрейф изолинии. В отличие от фильтров нижних частот, аналоговые фильтры верхних частот не ослабляют большую часть сигнала. Однако аналоговые фильтры верхних частот страдают фазовым сдвигом, влияющим на первые 5–10 гармоник сигнала. Это означает, что фильтр высоких частот 0,5 Гц, который имеет более низкую частоту, чем вырабатывает миокард, все еще может воздействовать на частоты до 5 Гц!

Этот фазовый сдвиг может возникать в полосе вокруг фильтра (т. е. он влияет на смежные гармоники). Эта затронутая полоса частот относительно велика и заметно влияет на сегменты ST. Фильтрация ЭКГ в реальном времени — это то, где вы видите это, поскольку существуют методы постобработки для ЭКГ в 12 отведениях, которые не имеют этих ограничений.

Обратите внимание, что мышечные артефакты и комплекс QRS находятся в одном частотном диапазоне и вы можете удивиться, почему мы не видим искажений? QRS изначально имеет гораздо более высокую амплитуду по сравнению с мышечным артефактом, что позволяет ему выдерживать гораздо большее затухание, прежде чем вы потеряете значимые компоненты этого сигнала. Напротив, сегменты ST редко имеют высокую амплитуду и, таким образом, легко подвергаются воздействию фильтрации.

Заключение:

«Фильтрацию по частоте можно рассматривать как вычитание этих простых сигналов на основе единственного правила: их частоты. Затем монитор отображает для вас «сумму» оставшихся сигналов.

«Что касается фильтрации и ЭКГ, то в основном чем больше фильтров вы используете, тем больше искажений вы видите.

«Самое интересное происходит с частотами, которые мы фильтруем в режиме реального времени. Фильтрация обычно работает по принципу разложения волны на составные части (анализ Фурье). Т.е. Вы можете думать об ЭКГ как о сумме нескольких «общих» волн различных частот, амплитуд и фаз.

«Идеальный фильтр для кардиомонитора — тот, который сохраняет важные для вас компоненты и отбрасывает второстепенные артефакты».

Ближе к практике

Я смоделировал применение фильтра верхних частот с частотой 1 Гц к отведению ЭКГ с помощью GNU Octave, и искажение сегментов ST было довольно заметным:

Рис. Сравните ST/T между необработанным V1 (синий) и отфильтрованным V1 (красный). Общий режим монитора Аналоговый фильтр верхних частот с частотой 1 Гц моделировался с использованием GNU Octave 3.6 и фильтра Баттерворта 4-го порядка.

Помните, что низшие гармоники имеют большую амплитуду, чем высшие гармоники, поэтому любые искажения их фазы усиливаются на ЭКГ в реальном времени. Исследования показали, что ЭКГ с исходными изменениями нормальных векторов деполяризации и реполяризации имеют большее искажение при фильтрации верхних частот.

Сравните ту же ЭКГ с фильтром верхних частот 0,05 Гц, который вы найдете на ЭКГ в 12 отведениях, и искажения сегментов ST минимальны (<0,1 мВ):

Рис. Сравните ST/T между V1 (синий) и отфильтрованным V1 (красный). Использовалась диагностическая частотная характеристика. Смоделировано с использованием GNU Octave 3.6 и фильтра Баттерворта 4-го порядка.

Если используется фильтр верхних частот с линейной фазой, например, на постобработанной ЭКГ, частота среза может достигать 0,67 Гц, не влияя на реполяризацию желудочков при нормальной частоте сердечных сокращений. Однако, поскольку эта конструкция фильтра требует задержек, которые не позволяют отображать сигнал ЭКГ в реальном времени, они обычно не используются в кардиомониторах. Если используется нелинейный фильтр верхних частот, отсечка должна быть установлена ​​на 0,05 Гц, чтобы свести к минимуму искажения сегмента ST (10 умножить на 0,05 Гц — это 0,5 Гц, что ниже физиологической частоты сердечных сокращений).

Отложив графики в сторону, вы просто выбираете фильтры, соответствующие интересующему вас частотному диапазону. Мониторы предназначены для мониторинга ритма, а аппараты, регистрирующие 12 отведений — для подробной оценки электрической активности. И даже тогда вам нужно знать свое устройство. Многие мониторы для неотложной помощи записывают 12 отведений в диапазоне частот 0,05–40 Гц, чтобы обеспечить более четкую запись. Если вы ищете эпсилон-волны или тонкие зубцы J, фильтр нижних частот 40 Гц слишком агрессивен. Скорее всего, вам нужен фильтр 100 или даже 150 Гц!

Многие устройства в наши дни имеют специальные функции для решения этой проблемы. Некоторые из них имеют специальные режимы фильтрации для отслеживания сегментов ST, а другие позволяют изменять частотный диапазон по мере необходимости. Итак, я не говорю, что вы не можете определить острую элевацию ST на кардиомониторе, но вы не знаете, что не было показано! Очень трудно смотреть на отфильтрованную ЭКГ и догадываться, что изменилось или чего не хватает, возможно, это забавный трюк для вечеринки, но я бы не настаивал на своих догадках не видя реальных 12-отведений.

Собираем все вместе

1. Используйте настройку частоты, подходящую для вашего оборудования и клинических условий. Большинство ЭКГ в 12 отведениях следует регистрировать с частотой 0,05–150 Гц для полной точности сегментов ST и поздних потенциалов (таких как эпсилон или зубцы J). Приемлемый компромисс с 0,05–40 Гц или 0,05–100 Гц может быть использован, если имеются выраженные мышечные артефакты, при условии, что вы знаете о возможных искажениях амплитуды.
2. Всегда смотрите настройки частоты и калибровочный сигнал при интерпретации ЭКГ. Они предоставляют ценную информацию для точной интерпретации ЭКГ!

Дополнение от КЕНА ГРАУЭРА, доктора медицины

Полезно периодически показывать клинические примеры того, насколько ошибочным может быть отклонение сегмента ST на ЭКГ-мониторе. Какой бы тревожной ни была депрессия ST в отведении V5 (и элевация ST в отведении V1) на приведенной выше мониторной записи — доктор Смит показал, что это не реально!

В качестве комментария я хочу рассмотреть еще один пример:

Насколько точны мониторные отведения для элевации ST? (How accurate are the Monitor leads for ST Elevation?)

Здоровый молодой человек, у которого не было проблем с сердцем, находился под мониторным наблюдением:

Отведение MCL1, являющееся средне-прекардиальным, в нижней части записи.
Имеется огромная элевация ST.
Что это означает?

Это мало что значит.

Из-за разной электронной обработки отображение сегмента ST на отведениях монитора ненадежно.

Мы одновременно записали 12 отведений. Вот эта ЭКГ:

Как вы можете видеть, в средних прекардиальных отведениях очень небольшая элевация ST.

Важный момент, отмеченный в этом посте, заключается в том, что изменения ST-T, видимые на мониторе, могут иметь мало общего с фактической картиной ST-T на стандартной ЭКГ в 12 отведениях.

• По словам доктора Смита — когда на мониторе видно что-то, что может вызвать беспокойство (например, значительная элевация или депрессия сегмента ST), немедленно сделайте полную ЭКГ в 12 отведениях, чтобы определить, является ли то, что вы видите (или нет), «реальным».
• Вероятность того, что ненормальный вид ST-T при мониторировании отражает острую ишемию или инфаркт, выше, ЕСЛИ вы наблюдали за пациентом в течение длительного времени и без каких-либо изменений в расположении отведений, вы внезапно заметили разницу в картине ST-T. Но независимо от того, был ли это постоянный мониторинг или вы только что начали мониторинг — даже выраженная депрессия или подъем сегмента ST могут быть «ненастоящими».
• РЕЗЮМЕ: Единственный способ определить, реальна ли элевация или депрессия ST в при мониторировании — это немедленно записать ЭКГ в 12 отведениях.

КОММЕНТАРИЙ

Хотя я далеко не эксперт в области настроек фильтров, основные понятия, которые я имею в виду, следующие:

• Для записи ЭКГ обычно используются разные настройки в зависимости от того, делается ли упор на оценку ритма или на диагностику (при этом основное внимание при диагностике уделяется интерпретации кривых в 12 отведениях).
• В режиме монитора обычно используется усиленная фильтрация с общей настройкой частоты от 0,5 Гц до 40 Гц (Гц = Герц). Преимущество этого заключается в минимизации артефактов и отклонений изолинии, которые могут повлиять на интерпретацию ритма.
• Напротив, более широкая полоса пропускания (обычно от 0,05 Гц до 150 Гц) рекомендуется для диагностического режима, в котором упор делается на оптимально точный анализ сегмента ST.

Например, представьте, что вы смотрите на ЭКГ в 12 отведениях, на которой в нижней части записи указана частота «40 Гц». Это значение 40 Гц описывает настройку фильтра нижних частот (т. е. позволяет пропускать сигналы с частотой МЕНЬШЕ этой) — без упоминания предела фильтра высоких частот. Если настройка фильтра высоких частот (т. е. пропускание сигналов с частотой БОЛЬШЕ, чем эта) типична для мониторинга (т. е. 0,5 вместо 0,05 Гц) — эта настройка фильтра от 0,5 до 40 Гц может способствовать возникновению искажение ST-T и/или ложной видимости подъема сегмента ST, когда на самом деле его нет. Другие изменения в тонкой картине зубца Q, комплекса QRS и формы волны ST-T также могут быть вызваны использованием этого слишком узкого диапазона фильтрации.

• Обычно рекомендуемая настройка частоты для интерпретации ЭКГ в режиме диагностики ЭКГ в 12 отведениях у взрослых составляет от 0,05 до 150 Гц. У младенцев или детей младшего возраста может использоваться еще более высокий верхний предел частоты. При выраженных мышечных артефактах может потребоваться компромисс с более узкой настройкой диапазона от 0,05 до 100 Гц (или от 0,05 до 40 Гц), но сначала следует попробовать рекомендуемый диапазон от 0,05 до 150 Гц. КЛЮЧЕВОЙ момент: если необходим компромисс в настройках фильтра, то, по крайней мере, имейте в виду, что точность анализа сегмента ST может быть ниже оптимальной. Это объясняет, почему мониторные записи ритма отведений не следует использовать для анализа сегмента ST. Можно предупредить о возможном/вероятном подъеме или депрессии сегмента ST на основании изменений, наблюдаемых на полосе ритма, но когда это клинически важно, это всегда должно быть проверено на записи в 12 отведениях.

=====================
Для сравнения — я совместил картинку с монитора в 2 отведениях этого пациента вместе с одновременно записанной ЭКГ в 12 отведениях (рис. ниже). К сожалению, особенности мониторинга (т. е. настройка частоты фильтра — скорость записи — калибровка амплитуды) были вырезаны из записи в 12 отведениях.

• В иллюстративных целях я позволил себе добавить в диапазон оптимального частотного фильтра для ЭКГ в 12 отведениях (т. е. от 0,05 до 150 Гц) — стандартную скорость записи (т. е. 25 мм/сек) — и стандартную калибровку (т.е. 10 мм/мВ).

Рисунок: Что показывает монитор (ВВЕРХУ) и что показывает одновременно записанная ЭКГ в 12 отведениях этого пациента (см. текст).

ПРЕДЛОЖЕНИЕ: Если вы ранее не знали о настройках фильтров — Начните их искать! Обычно их можно увидеть на ЭКГ (аналогично тому, как они выглядят на рисунке 1). Признание: я полностью признаю, что много лет работал «ЭКГ-энтузиастом», пока, наконец, не начал обращать внимание на эти настройки. Это важно, потому что использование другой настройки фильтра может быть причиной того, что отклонение сегмента ST (подъем или депрессия) может дать ложное впечатление о разнице в изменениях подъема или депрессии ST на серийных ЭКГ, снятых у одного и того же пациента!

• Прелесть двух записей в этом случае (рис. выше) заключается в том, что мониторная запись предполагает выраженную элевацию ST в точке J, хотя на самом деле на одновременно записанной ЭКГ в 12 отведениях имеется не более чем минимальная элевация ST.
• РЕЗЮМЕ: Единственный способ определить, реальна ли элевация или депрессия ST в мониторных отведениях, — это немедленно записать ЭКГ в 12 отведениях.

Дэвид Ричли, который действительно является экспертом в этой области (бывший кардиолог-физиолог в NHS — Великобритания), написал следующее в ЭКГ-клубе (05.03.2019). Я скопировал его комментарий сюда и добавил рисунок 2, предоставленный Дэйвом.

Причиной артефактной элевации ST является использование цифрового фильтра верхних частот при отображении ЭКГ в реальном времени, например, при записи полосы ритма вручную или при мониторинге. В прежние аналоговые времена для сохранения низкочастотных компонентов кривой ЭКГ (например, сегмента ST) рекомендуемая более низкая частотная характеристика аппаратов ЭКГ составляла 0,05 Гц. В настоящее время для цифровой машины рекомендуемый нижний предел составляет 0,67 Гц, потому что это поможет подавить низкочастотный артефакт отклонения изолинии (например, вызванный потоотделением или глубоким дыханием), не искажая при этом сегмент ST. Это связано с тем, что машина применяет фильтр верхних частот при захвате сигнала, чтобы уменьшить низкочастотный артефакт, но поскольку это искажает сегменты ST, она затем повторно применяет фильтр в противоположном направлении, чтобы инвертировать искажения назад. Однако сделать это он может только тогда, когда в его памяти записана полностью автоматическая ЭКГ. Если ЭКГ записывается в режиме реального времени — фильтр может применяться только однонаправленно, и искажение сегмента ST не может быть исправлено. Таким образом, для ручных полос ритма или мониторинга ЭКГ нижняя частотная характеристика должна составлять 0,05 Гц, если необходимо избежать искусственного подъема сегмента ST.

Рисунок: Наглядный рисунок, предоставленный Дэвидом Ричли. Вверху - записанная в полностью автоматическом режиме стандартная ЭКГ, ниже - две полосы ритма, записанные монитором с разными настройками фильтров (С2 - среднее прекардиальное отведение = V2)

Заключение Кена

• Отклонения сегмента ST (подъем или депрессия) на мониторе ЭКГ достоверно не передаются. Они могут быть, а могут и не быть «настоящими».
• Если вы когда-нибудь увидите на мониторе что-то, что может вызвать беспокойство (например, значительную элевацию или депрессию сегмента ST), немедленно сделайте полную ЭКГ в 12 отведениях. Это единственный способ узнать, есть ли истинное отклонение сегмента ST.
• Вероятность того, что ненормальный вид ST-T при мониторировании отражает острую ишемию или инфаркт, выше, ЕСЛИ вы наблюдали за пациентом в течение длительного времени и без каких-либо изменений в расположении отведений, и вы внезапно заметили разницу в картине ST-T.
• Независимо от того, проводилось ли постоянное наблюдение — единственный способ узнать, является ли отклонение сегмента ST, которое вы видите, «настоящим» — это немедленно записать ЭКГ в 12 отведениях.