СПОСОБ НЕЙРОСЕТЕВОГО АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ СЕРДЦА

Название	СПОСОБ НЕЙРОСЕТЕВОГО АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ СЕРДЦА
Разработчик (Авторы)	Безбородова О.Е., Бодин О.Н., Герасимов А.И., Полосин В.Г., Рахматуллов Ф.К., Рахматуллов Р.Ф., Шерстнёв В.В., Ожикенов К.А., Алимбаева Ж.Н.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2704913
Дата регистрации	31.10.2019
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Пензенский государственный университет"
Область применения (класс МПК)	A61B 5/0402 (2006.01) G06N 5/00 (2006.01)

Описание изобретения

Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности к кардиологии, и может быть использовано в автоматическом режиме для дифференциальной диагностики инфаркта миокарда (ИМ) по данным электрокардиографического обследования пациента при скрининге или в условиях скорой и неотложной помощи.

Известен способ обработки и анализа электрокардиосигнала (ЭКС) для диагностики инфаркта миокарда [1], включающий автоматический съем ЭКС пациента в трех стандартных, трех усиленных и шести грудных отведениях, его регистрацию, оцифровку, выделение кардиоцикла и комбинированный анализ, при комбинированном анализе ЭКС во всех отведениях осуществляют выявление ЭКС признаков инфаркта миокарда, оценку состояния сердца по результатам анализа ЭКС в амплитудно-временной, частотно-временной и амплитудно-фазовой областях, а также по результатам комплексного контурного анализа ЭКС и нейросетевого анализа ЭКС, и формирование диагностического заключения. При этом комплексный контурный анализ ЭКС [2], водящий в известный комбинированный анализ ЭКС, позволяет диагностировать инфаркт миокарда (ИМ) определенных стадий и локализаций, но ограничен набором заданных контурных подграфов и не позволяет при наличии в ЭКС признаков ИМ формировать расширенные диагностические заключения, содержащие комплексные сведения об ИМ (то есть сведения, включающие информацию о локализации, стадии ИМ и глубине поражения стенок затронутых областей сердца). Амплитудно-временной, частотно-временной и амплитудно-фазовый анализы при диагностировании ИМ не выявляют стадии его развития и вид по глубине поражения. Кроме того, при определении патологии по отдельным элементам ЭКС и без разделения признаков на прямые и реципрокные возникают неоднозначности при определении локализации ИМ (например, и перегородочный и задний инфаркты миокарда выявляется по изменениям в ЭКС отведений V1…V3, только первый по прямым признакам, а второй – по реципрокным). Недостатком нейросетевого анализа ЭКС, водящего в известный комбинированный анализ ЭКС для диагностики ИМ, является то, что количество нейронных сетей равно количеству отведений и их обучение может быть осуществлено только на определенный вид ИМ по глубине поражения и конкретную стадию его развития (так как ЭКС для различных видов и стадий ИМ существенно различаются). Кроме того, отсутствие решающих правил для определения локализации не позволяет формировать диагностическое заключение о состоянии сердца пациента, относящегося к одному из k состояний сердца.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по способу обработки и анализа электрокардиосигнала (ЭКС) для диагностики инфаркта миокарда является способ [3], заключающийся в том, что непрерывный электрокардиосигнал регистрируют, осуществляют предварительную обработку и представляют его в виде n-размерного вектора, создают m n-размерных векторов справочной информации, характеризующих одно из состояний сердца, и сравнивают n-размерный вектор зарегистрированного электрокардиосигнала с созданным множеством m n-размерных векторов справочной информации, характеризующих одно из состояний сердца, решают, что n-размерный вектор находится в пределах или вне порогового диапазона векторов справочной информации, характеризующих одно из состояний сердца, дополнительно осуществляют нейросетевой анализ k состояний сердца, для чего создают (k-1)*m n-размерных векторов справочной информации, выполняют построение решающих правил, осуществляют нейросетевой анализ n-размерного вектора зарегистрированного электрокардиосигнала с учетом решающих правил и вывод результата, относящегося к одному из k состояний сердца.

При этом для нейросетевого анализа ЭКС используют нейронную сеть (НС) LVQ, которая является развитием структуры сети Кохонена, и обладает возможностью обучения с учителем [4, 5].

Для выполнения нейросетевого анализа n-размерного вектора зарегистрированного электрокардиосигнала осуществляют построение k*L (L – количество отведений) нейронных сетей для анализа каждого из k состояний сердца в каждом отведении.

Построение решающих правил осуществляют на основе прямых и реципрокных признаков топической диагностики для каждого из k состояний сердца.

Вывод результата, относящегося к одному из k состояний сердца, осуществляют на основе выбора k-го состояния сердца, у которого выявлено максимальное количество признаков.

В заключение следует отметить, что данное изобретение направлено на автоматизацию электрокардиографической диагностики состояния сердца пациента и в случае подозрений на ИМ поможет врачу более полно и точно оценить состояние сердца пациента, не зависимо от уровня его квалификации и опыта работы.

Формула изобретения

Способ нейросетевого анализа состояния сердца, заключающийся в том, что непрерывный электрокардиосигнал (ЭКС) регистрируют в L отведениях, предварительно обрабатывают и представляют его в виде n-размерного вектора для каждого из L отведений, создают образцовые n-размерные векторы E_эт различных ЭКС для каждого из L отведений, обучают нейронные сети, осуществляют нейросетевой анализ n-размерных векторов зарегистрированных ЭКС E_рег, выполняют анализ выходов нейронных сетей на основе построения решающих правил и выводят результат о состоянии сердца пациента, отличающийся тем, что, во-первых, построение решающих правил осуществляют следующим образом:

- осуществляют разделение поверхности левого желудочка сердца на области, для которых выявленные прямые и реципрокные признаки инфаркта миокарда (ИМ) соответствуют конкретной стадии и конкретному виду ИМ по глубине поражения, для этого:

- определяют p={1,2,..6} области левого желудочка сердца и задают соответствующие им группы отведений: для перегородочной области (p=1) – отведения V1 и V2, для задней области (p=2) – отведения V1 и V2 при реципрокных признаках ИМ, для передней области (p=3) – отведения V3 и V4, для боковой нижней области (p=4) – отведения V5 и V6, для боковой верхней области (p=5) – отведения I и aVL, для нижней области (p=5) – отведения II, III и aVF;

- учитывают, что стадия ИМ в пределах каждой p={1,2,..6} области левого желудочка сердца не изменяется;

- осуществляют определение s={1,2,..4} стадии ИМ по p={1,2,..6} областям сердца, для этого:

- выбирают выходы нейронных сетей, обученных на выявление в ЭКС прямых и реципрокных признаков ИМ острейшей (s=1), острой (s=2), подострой (s=3) и рубцовой стадии (s=4);

- формируют матрицу ST стадий ИМ по областям сердца, путём логического преобразования сигналов выбранных выходов нейронных сетей для s={1,2,..4} стадии ИМ в пределах группы отведений, соответствующих одной из p={1,2,..6} областей сердца, при этом значения элементов матрицы ST(p,s) находят следующим образом:

1) для перегородочной области (p=1)

,

2) для задней области (p=2)

,

3) для передней области (p=3)

,

4) для боковой нижней области (p=4)

,

5) для боковой верхней области (p=5)

,

6) для нижней области (p=6)

,

где s=1 – для острейшей стадии ИМ, s=2 – для острой стадии ИМ, s=3 – для подострой стадии ИМ, s=4 – для рубцовой стадии ИМ;

g_i,j – выходной сигнал j-й нейронной сети i-го отведения, при этом i∈L и для общепринятых отведений i{V1, V2, V3, V4, V5, V6, I, II, III, aVL, aVF}, j={2,3..18} соответствует ЭКС различных стадий ИМ, различных видов ИМ по глубине поражения, прямых и реципрокных признаков ИМ;

;

- выполняют анализ значений элементов матрицы стадии ИМ по областям сердца ST(p,s) на основе решающего правила: если элемент матрицы ST(p,s)=1, то определяется инфаркт миокарда s-й стадии в p-й области сердца;

- осуществляют определение v={1,2,3} вида ИМ по глубине поражения по p={1,2,..6} областям сердца, для этого:

- разделяют выходы нейронных сетей, обученных на выявление в ЭКС прямых и реципрокных признаков ИМ;

- выбирают выходы нейронных сетей, обученных на выявление в ЭКС прямых признаков ИМ трансмурального (v=1), субэпикардиального (v=2) и субэндокардиального (v=3) вида ИМ по глубине поражения в i{V1, V2, V3, V4, V5, V6, I, II, III, aVL, aVF} отведениях;

- формируют матрицу WP видов ИМ по глубине поражения при прямых признаках путём логического преобразования сигналов выбранных выходов нейронных сетей, при этом значения элементов матрицы WP(i,v) находят следующим образом:

1) для трансмурального вида ИМ по глубине поражения (v=1):

,

2) для субэпикардиального ИМ по глубине поражения (v=2):

,

3) для субэндокардиального ИМ по глубине поражения (v=3):

,

где v=1 – для трансмурального ИМ, v=2 – для субэпикардиального ИМ, v=3 – для субэндокардиального ИМ;

- выбирают выходы нейронных сетей, обученных на выявление в ЭКС реципрокных признаков ИМ трансмурального (v=1), субэпикардиального (v=2) и субэндокардиального (v=3) вида ИМ по глубине поражения в i{V1, V2} отведениях;

- формируют матрицу WR видов ИМ по глубине поражения при реципрокных признаках путём логического преобразования сигналов выбранных выходов нейронных сетей, при этом значения элементов матрицы WR(i,v) находят следующим образом:

1) для трансмурального или субэпикардиального вида ИМ по глубине поражения (v=1, v=2):

,

2) для субэндокардиального ИМ по глубине поражения (v=3):

;

- формируют вектор-строки WF_p вида ИМ по глубине поражения для p={1,2,..6} областей сердца:

- для перегородочной области (p=1)

,

- для задней области (p=2)

,

- для передней области (p=3)

,

- для боковой нижней области (p=4)

,

- для боковой верхней области (p=5)

,

- для нижней области (p=6)

,

- выполняют анализ значений вектор-строк вида ИМ по глубине поражения WF_p для p={1,2,…6} областей сердца на основе решающих правил:

если WF_p = [1 Х Х], то определяется трансмуральный ИМ,

если WF_p = [0 1 Х], то определяется субэпикардиальный ИМ,

если WF_p = [0 0 1], то определяется субэндокардиальный ИМ,

при этом значение Х равно 0 или 1;

- осуществляют определение локализаций ИМ установленных стадий, для этого:

- формируют вектор-строки SL_S локализаций ИМ путем транспонирования вектор-столбцов матрицы ST для s={1,2,..4} стадий:

;

- выполняют анализ значений вектор-строк SL_S локализаций ИМ для s={1,2,..4} стадий на основе решающих правил:

- если SL_S = [1 0 0 0 0 0], то определяется переднеперегородочный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 0 1 0 0 0], то определяется передневерхушечный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [1 0 1 0 0 0], то определяется переднеперегородочный инфаркт миокарда с переходом на верхушку s-й стадии,

- если SL_S = [1 0 1 1 1 0], то определяется передний распространенный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 0 1 1 0] или SL_S = [0 0 0 1 1 0], то определяется боковой инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 1 1 1 0] или SL_S = [0 0 1 1 1 0], то определяется переднебоковой инфаркт инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 0 0 1 0] или SL_S = [0 0 0 0 1 0], то определяется боковой базальный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 0 0 0 0], то определяется заднебазальный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 0 0 0 1] или SL_S = [0 0 0 0 0 1], то определяется заднедиафрагмальный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [1 0 0 0 0 1], то определяется заднеперегородочный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 0 1 0 1], то определяется задний распространенный инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 0 1 1 1] или SL_S = [0 0 0 1 1 1], то определяется заднебоковой инфаркт миокарда s-й стадии,

- если SL_S = [0 1 1 1 1 1] или SL_S = [0 0 1 1 1 1] или SL_S = [0 1 1 0 0 1] или SL_S = [0 0 1 0 0 1], то определяется циркулярный инфаркт миокарда s-й стадии;

во-вторых, вывод результата нейросетевого анализа состояния сердца осуществляют следующим образом:

– определяют параметры состояния сердца D1-D3:

,

,

,

где g_i,1 – выходной сигнал j=1 нейронной сети i-го отведения, обученной для анализа ЭКС на соответствие здоровому состоянию сердца;

i{V1, V2, V3, V4, V5, V6, I, II, III, aVL, aVF, aVR};

ST(p,s) – элементы матрицы стадий ИМ по областям сердца, p={1,2,..6}, s={1,2,..4};

– формируют вывод результата об общем состоянии сердца пациента, при этом:

– если D₁=1, то выводят результат «В пределах нормы»,

– если D₂=1, то выводят результат «Подозрение на инфаркт миокарда»,

– если D₃=1, то выводят результат «Отклонение от нормы»;

– формируют вывод результатов о состоянии сердца пациента при наличии признаков ИМ (D₂=1), полученных с помощью решающих правил, при этом:

– указывают наименование ИМ, определяемое локализацией для конкретной стадии;

– перечисляют затронутые ИМ области сердца и соответствующие им виды ИМ по глубине поражения.

Изобретение "СПОСОБ НЕЙРОСЕТЕВОГО АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ СЕРДЦА" (Безбородова О.Е., Бодин О.Н., Герасимов А.И., Полосин В.Г., Рахматуллов Ф.К., Рахматуллов Р.Ф., Шерстнёв В.В., Ожикенов К.А., Алимбаева Ж.Н.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога