English
Jednotky intenzivní péče (JIP) jsou vybaveny monitory životních funkcí, jejichž úkolem je mj. reagovat na život ohrožující srdeční arytmie. Trvalým problémem je vysoká míra falešných poplachů, která výrazně snižuje pozornost personálu a vede k duševní a spánkové deprivaci pacientů.
Obr. 1 – Ukázka záznamu s příkladem srdeční arytmie – komorové tachykardie – u konce záznamu vpravo. EKG – elektro-kardiogram, PPG – foto-pletysmograf, ABP – arteriální krevní tlak.
Na konferenci Computing in Cardiology 2015 v Nice byly vyhlášeny výsledky soutěže PhysioNet Challenge (viz http://www.physionet.org/challenge/2015/), jejímž tématem byla právě redukce těchto falešných alarmů. PhysioNet je největší světová databáze zahrnující záznamy elektrofyziologických signálů člověka. Soutěž organizuje skupina z laboratoří MIT (Massachusetts Institute of Technology) a BIH (Beth Israel Deaconess Medical Center, Boston) od roku 2000. Tým z Ústavu přístrojové techniky AV ČR obsadil v soutěži první a druhé místo ve dvou souběžných kategoriích. Mezi 29 hodnocenými týmy z celého světa včetně zástupců soukromých společností s nemalým podílem na trhu jde o jedinečný úspěch.
Život ohrožující arytmie jsou: Asystolie (zástava), extrémní bradykardie (velmi nízká tepová frekvence), extrémní tachykardie (velmi vysoká tepová frekvence), komorová tachykardie (obr. 1) či fibrilace komor. Exaktně jsou popsány a na první pohled bezpečně rozpoznatelné z EKG záznamu. Jejich dopady lze pozorovat na dalších fyziologických signálech, jako jsou arteriální krevní tlak či fotopletysmografická křivka.
Foto: Archiv ÚPT AV ČR
Řešitelský tým, zleva: Filip Plešinger, Petr Klimeš, Pavel Jurák a Josef Halámek
Jak je tedy možné, že monitory JIP produkují (podle organizátorů soutěže) až 86 % falešných alarmů? A je možné falešným alarmům předejít použitím více typů fyziologických signálů současně?
Tímto směrem byla soutěž PhysioNet Challenge 2015 orientována. Účelem bylo navrhnout, implementovat a otestovat algoritmy pro potvrzení nebo vyvrácení alarmů na 1250 multimodálních záznamech z monitorů JIP. Soutěžní záznamy pocházely z monitorů JIP růz-ných výrobců a různých zdravotnických zařízení ve světě. Každý obsahoval dva EKG kanály a dále volitelné složení až tří dalších signálů – arteriální krevní tlak, fotoplethysmograf či respirační signál. V páté minutě každého záznamu bylo místo hlášení alarmu; některé tímto okamžikem končily, jiné obsahovaly dalších 30 sekund dat. Záznamy byly ohodnoceny skupinou lékařů a rozděleny na veřejnou trénovací skupinu se 750 záznamy a skrytou testovací skupinu, obsahující 500 záznamů; aby bylo znemožněno zpětně rozpoznat druh zařízení a zemi, ze které záznam pochází. Veškerá data byla převzorkována na 250 Hz a 12bitové rozlišení. Při bližším pohledu na falešně pozitivní alarmy se ukázalo, že jsou zpravidla způsobeny technickým problémem (pohyb pacienta, ztráta kontaktu mezi pacientem a přístrojem, narušené vedení od senzorů či elektromagnetické rušení). Jistou komplikaci představovalo časové posunutí různých typů signálů mezi sebou v řádu zlomků až jednotek sekund.
Tabulka výsledků – přejata (a zkrácena) z článku The PhysioNet/Computing in Cardiology Challenge 2015: Reducing False Arrhythmia Alarms in the ICU
V čem spočívá řešení, které navrhl náš tým?
Podle zadání soutěže a standardů pro pacientské monitory podle AAMI (The Association for the Advancement of Medical Instrumentation) se musí alarm nahlásit do 10 sekund od život ohrožující arytmie. Data byla tedy zkoumána mezi 284. a 300. sekundou záznamu. Vzhledem k častým technickým problémům v signálech se v první řadě rozpoznávají nepoužitelné oblasti jednotlivých kanálů. Dále jsou odděleně pro každý kanál detekovány srdeční tepy (respektive QRS komplexy) různými metodami podle typu daného kanálu. V případě detekce z EKG jsme navrhli novou metodu, která vyjma poznatku o poloze každého tepu obsahuje informaci, zda daný tep je či není komorová extrasystola. V momentě, kdy jsou již detekovány srdeční tepy z jednotlivých kanálů, se testuje, zda kterýkoli z kanálů obsahuje běžnou sekvenci QRS komplexů. Posouzení zabezpečuje statistická analýza vzdáleností mezi jednotlivými tepy. V kladném případě je proces ukončen a alarm vyhodnocen jako falešný, v opačném se přikročí k testu na konkrétní arytmii. V případě asystolie, komorové tachykardie a fibrilace komor se za každý kanál shromažďují indicie pro a proti alarmu, zvažuje se validita dat a výsledku se dosahuje hlasováním. V případě extrémní bradykardie a tachykardie se pomocí statistických ukazatelů vybere nejdůvěryhodnější kanál a na něm je proveden test arytmie. Navržené řešení využívá popisné statistiky a Fourierovy a Hilbertovy transformace.
Jakým způsobem se testuje a jaké byly dosažené výsledky?
Algoritmy se automaticky testovaly na serveru soutěže na skryté testovací sadě záznamů. Výsledky byly rozděleny podle délky souborů do dvou kategorií – „Real-time“ a „Retrospective“. Soutěž se skládala z neoficiálního a oficiálního kola. V každém kole bylo možno odeslat omezený počet algoritmů k evaluaci (5 a 10 pokusů). Pro každý algoritmus byla vyhodnocena senzitivita, specificita a výsledné skóre, které falešně negativní detekce postihovalo pětinásobně oproti falešně pozitivním detekcím.
Práce je volně dostupná na www.cinc.org. V současnosti připravujeme detailní článek s přesným popisem dopracované metodiky pro speciální číslo časopisu Physiological Measurement. Řešitelský tým ze skupiny Medicínské signály z Ústavu přístrojové techniky AV ČR se věnuje zpracování signálů z lidského těla. Spolupracuje s významnými pracovišti, jako je brněnské Mezinárodní centrum klinického výzkumu ICRC, CEITEC, pražský IKEM či Mayo Clinic v USA. Těžiště práce se týká vysokofrekvenčního EKG, neurofyziologie a vývoje software pro zpracování signálů SignalPlant (viz signalplant.codeplex.com).
FILIP PLEŠINGER, PETR KLIMEŠ,
JOSEF HALÁMEK a PAVEL JURÁK,
Ústav přístrojové techniky AV ČR, v. v. i.