مروری بر انواع نویز در ECG و تشریح آزمون کنترل کیفی «پاسخ ضربه»

نمودار الکتروکاردیوگرام (Electrocardogram)، تغییرات ولتاژ بین الکترودهای متصل به بیمار، در گستره زمان را به تصویر می‌کشد. این سیگنال‌ها توسط الکترودهایی که به بدن بیمار متصل می‌شوند جمع آوری شده و اطلاعات مفیدی از نحوه عملکرد قلب را در اختیار پزشک قرار می‌دهند. به عنوان مثال، لید II، تغییرات زمانی اختلاف پتانسیل الکتریکی بین الکترودهای RA و LL را نمایش می‌دهد. شکل موج یک دوره از ضربان عادی و سالم قلب مشابه شکل 1 است.

شکل 1: سیگنال الکتریکی یک قلب سالم

سیگنال ECG یکی از سیگنال‌های حیاتی بدن است که به دلیل دامنه کم (از مرتبه میلی ولت) به شدت به نویزها (Noise) و آرتیفکت‌ها (Artifacts) حساس است. آرتیفکت‌ها در علوم تشخیصی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند و با تغییر شکل الکتروکاردیوگرام و ایجاد ابهام، تحلیل و تشخیص مشکلات قلبی را با مشکل و خطا مواجه می‌کنند. به طور کلی، آرتیفکت‌ها اغتشاشات ناخواسته‌ای هستند که منشأ فیزیولوژیکی یا غیر فیزیولوژیکی داشته و بر اساس منبع تولید به دو گروه داخلی و خارجی تقسیم می‌شوند:
الف) آرتیفکت‌های داخلی (Internal Artifacts): این دسته از آرتیفکت‌ها به دلیل فعالیت‌های مختلف بدن بیمار (اعم از ارادی یا غیر ارادی) در طول فرآیند ثبت سیگنال‌های حیاتی بدن ایجاد می‌شوند. چند نمونه از این آرتیفکت‌ها عبارتند از:
1) سکسکه، بلع، سرفه، لرزش بیمار که به علت سرمای هوای محیط یا تنش‌های عصبی ایجاد می‌شود، رعشه در بیماران مبتلا به پارکینسون و مواردی از این دست. شایان ذکر است در سیگنال‌های الکترواکولوگرافی (Electrooculography) – اندازه گیری پتانسیل بین قرنیه و شبکه- حتی پلک زدن بیمار هم مداخلات قابل توجهی ایجاد می‌کند.

شکل 2: آرتیفکت حرکتی در الکتروکاردیوگرام یک بیمار(سمت چپ) و آرتیفکت ناشی از رعشه یک بیمار مبتلا به پارکینسون (سمت راست)

2) آرتیفکت تنفسی، یک آرتیفکت رایج در ECG است. توضیح آن که، دم و بازدم بیمار و حرکات کشسانی پوست قفسه سینه و در نتیجه، جابه‌جایی نسبی الکترودها، تغییر مقاومت بافت اطراف الکترودها را در پی دارد. این تغییرات، ثبت اختلاف پتانسیل الکتریکی بین الکترودها را تحت تأثیر قرار داده و مداخلاتی ایجاد می‌کند که هیچ ارتباطی به فعالیت الکتریکی قلب ندارد. آرتیفکت تنفسی، یک نویز با فرکانس پائین (کمتر از 1 هرتز) است و به صورت جابجایی خط پایه (BW- Baseline Wandering) که یکی از معمول‌ترین مداخلات در ECG است پدیدار می‌شود.

شکل 3: جابه‌جایی خط پایه (BW): آرتیفکت تنفسی در نمودار ECG یک بیمار

3) آرتیفکت‌های عضلانی که ناشی از مداخلات سیگنال‌های الکتریکی عضلات غیر قلبی (الکترومیوگرافی- Electromyography یا نوار عصب و عضله) اطراف الکترودها است.

شکل 4: نویز ناشی از سیگنال‌های الکتریکی عضلات غیر قلبی اطراف الکترودها (الکترومیوگرافی)

ب) آرتیفکت‌های خارجی:(External Artifacts) این نویزها از عوامل خارجی سرچشمه گرفته و بنابراین منشأ غیرفیزیولوژیکی دارند. آرتیفکت‌های خارجی را می‌توان به اقسام ذیل دسته بندی کرد:
1) مداخلات الکترومغناطیسی: ناشی از دستگاه‌ها و تجهیزات موجود در محیط هستند که امواج الکترومغناطیسی (EM) ایجاد می‌کنند. برخی از انواع آن عبارتند از:
a) نویزهای ناشی از فرکانس 60-50 هرتز برق شهر (Power Line Interference -PLI)
b) نویزهای حاصل از دستگاه‌های الکتریکی و دیگر تجهیزات پزشکی موجود در محیط مانند تخت الکتریکی، دستگاه ام آر آی، لامپ‌های فلورسنت و لامپ‌های جراحی، الکتروسرجری، دیاترمی و…
c) مداخلات رادیویی مانند امواج الکترومغناطیسی موبایل

شکل 5: مداخله فرکانس 50 هرتز برق شهری با سیگنال قلب یک بیمار

شکل 6: نویز ناشی از یک لامپ فلورسنت در الکتروکاردیوگرام یک بیمار

2) مداخلات ناشی از کانکشن ها (کابل‌ها و الکترودها):
a) ناکافی بودن ژل‌های مخصوص در محل اتصال به بدن بیمار که فرآیند جمع آوری سیگنال‌های قلبی از پوست بدن بیمار و انتقال آن را با مشکل مواجه می‌کند.
b) قرار گرفتن الکترود در جای نامناسب (Electrode Misplacement)
c) قطعی سیم‌ها
d) قطع یا اتصال نامناسب الکترودها (Electrode Pop): کشیده شدن ناگهانی یا فشار بیش از حد الکترود بر پوست موجب ایجاد تغییرات ناگهانی در مقاومت الکتریکی بافت اطراف الکترود می‌شود. این مساله آرتیفکت‌هایی با دامنه زیاد و دیوریشن بسیار کوتاه را ایجاد کرده که اصطلاحاً به آن نویز ضربه‌ای (Impulsive Noise) می‌گویند. در ادامه به طور مفصل به مفهوم نویزهای ضربه‌ای می‌پردازیم.
آرتیفکت‌ها از منظر تکرار پذیری (Repeatability) به دو گروه منظم و نامنظم تقسیم می‌شوند:
الف) آرتیفکت‌های منظم (Regular Artifacts): در طول ثبت سیگنال به طور متناوب تکرار شده و در واقع ماهیتی پریودیک دارند.
ب) آرتیفکت‌های نامنظم (Irregular Artifacts): تکرارپذیر نبوده یا در فواصل زمانی نامنظم یا غیر پریودیک ظاهر می‌شوند.

شکل 7: یک نمونه آرتیفکت منظم و یک نمونه آرتیفکت نامنظم (ناشی از قطع ناگهانی الکترود از بدن بیمار) در نوار عصب یک بیمار

از دیگر سو، آرتیفکت‌ها را می‌توان به دو گروه گلوبال و لوکال دسته بندی کرد:
الف) آرتیفکت گلوبال (Global Artifacts): با تغییر کانال دستگاه‌های ثبت سیگنال حیاتی (بعنوان مثال تغییر لید در دستگاه ECG) از بین نرفته و همچنان پایدار می‌مانند.
ب) آرتیفکت لوکال (Local Artifacts): با تغییر کانال ناپدید شده و اثرات آن حذف می‌شود.

شکل 8: یک آرتیفکت گلوبال که با تغییر کانال از بین نمی‌رود و در شکل دو دیتاست از یک نوار عصب را مشاهده می‌کنید.

همانطور که اشاره شد، برخی از نویزها ماهیت ضربه‌ای دارند. نویزهای ضربه‌ای (Impulsive Noise) به صورت نامنظم و ناپیوسته و در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه رخ می‌دهند؛ همچنین، دارای دامنه نسبتاً زیادی بوده و دیتا را در آن فاصله زمانی به طور قابل توجهی خراب می‌کنند .خاموش و روشن شدن دستگاه (قطع و وصل شدن برق ورودی)، تغییر مد دستگاه و پالس‌های تصادفی در خطوط تلفن می‌توانند موجب بروز نویزهای ضربه‌ای شوند.
در محیط‌های درمانی، به هنگام استفاده از تجهیزات جراحی، دستگاه‌های دیاترمی، دستگاه‌های ثبت علائم حیاتی مانند الکتروکاردیوگراف و… شاهد نویزهای ضربه‌ای هستیم. به ویژه در دستگاه الکتروکاردیوگراف که موضوع اصلی بحث ماست، سیگنال‌های مربوط به فعالیت‌های الکتریکی ماهیچه‌های غیر قلبی اطراف الکترودها (الکترومیوگرام) و تغییرات مد (مثلاً تغییر از یک لید به لید دیگر) از منابع اصلی بروز نویزهای ضربه‌ای هستند. البته الگوریتم‌ها، تکنیک‌ها و فیلترهایی که جهت حذف انواع نویزها، از جمله نویزهای ضربه‌ای به کار گرفته می‌شوند، مقوله‌ای است بسیار گسترده که در اینجا مجال پرداختن به آن وجود ندارد. مقصود ما در این مبحث، مفهوم «نویز ضربه‌ای» و فلسفه آزمون «پاسخ ضربه» در دستگاه الکتروکاردیو گراف است.
برای فهم بهتر «ضربه-Impulse »، ناچاریم اندک اشاراتی به مفاهیم فیزیکی داشته باشیم. در فیزیک با کمیتی به نام «ضربه نیرو-Force Impulse » مواجه هستیم. «ضربه نیرو» عبارت است از تغییر در تکانه Momentum-(اندازه حرکت).
فرض کنید یک توپ بیسبال با دیوار برخورد کرده و پس از تغییر جهت حرکت به مسیر خود ادامه می‌دهد. ضربه وارد بر توپ را با عبارت ذیل نمایش می‌دهیم:

1)

که در آن اندازه حرکت توپ قبل از برخورد و اندازه حرکت توپ پس از برخورد با دیوار است.
با توجه به اینکه اندازه حرکت یا تکانه به صورت تعریف شده و (شتاب متوسط) است، رابطه ضربه نیرو را می‌توان به صورت ذیل باز نویسی کرد:

2)
در رابطه فوق، نیروی متوسط وارد بر توپ در طی فرآیند ضربه است. همچنین از رابطه (2) استنباط می‌شود که واحد ضربه نیرو، نیوتن ثانیه است. رابطه (2) را به صورت ذیل نیز می‌توان باز نویسی کرد:

3)

مطابق با رابطه (3)، هر چه مدت زمان ضربه یا همان کوچکتر باشد، مقدار کسر بزرگتر شده و بنابراین نیروی بزرگتری به توپ وارد می‌شود. به همین دلیل است که رزمی کاران در بازی‌های نمایشی و برای شکستن سنگ‌ها و اجسام، سعی می‌کنند مدت زمان برخورد ضربات دست و پا با اجسام را به کمترین میزان ممکن کاهش داده تا بدین ترتیب، بیشترین نیرو را به اجسام وارد کنند. اکنون به رابطه (2) بر می‌گردیم. فرض کنید بازه زمانی را به تعداد زیادی بازه‌های زمانی کوچکتر تقسیم کنیم، به طوریکه اندازه و جهت نیرو در هر بازه ثابت بماند:
4)
5)
هر چه تعداد تقسیم بندی‌ها بیشتر باشد، ها کوچکتر شده و البته تقریبِ ثابت ماندن ها در بازه زمانی ها دقیقتر خواهد شد. به عبارتی:

اکنون می‌توان رابطه (5) را به صورت ذیل نوشت:

6)

لحظه آغاز تماس (Contact Beginning Time) و لحظه پایان تماس (Contact Ending Time) توپ با مانع است. به این ترتیب، ضربه نیرو در فیزیک مکانیک، عبارتست از انتگرال زمانی نیرو. پس با در اختیار داشتن تابعیت زمانی نیرو، می‌توانیم ضربه نیرو را محاسبه کنیم. اکنون می‌توان گفت، سطح زیر نمودار نیرو بر حسب زمان برابر است با ضربه نیرو. یعنی عملاً با محاسبه مساحت زیر نمودار نیرو بر حسب زمان، می‌توانیم به مقدار کمیت ضربه نیرو برسیم.

شکل 9: سطح زیر نمودار نیرو-زمان کمیت ضربه نیرو را به‌ دست می‌دهد.

حال به بحث اصلی، یعنی سیگنال ضربه، باز می‌گردیم. با توجه به توضیحات فوق، سیگنال ضربه، سیگنال‌هایی هستند با دوره زمانی (Duration) بسیار کوتاه (از مرتبه میلی ثانیه) و دامنه‌های (Amplitude) بزرگ. به زبان ریاضی، طیف این سیگنال در یک زمان خاص مقداری غیر صفر و در مابقی زمان‌ها مقدار صفر را اختیار می‌کند؛ سیگنال ضربه با استفاده از تابع دلتای دیراک نمایش داده می‌شود. به عنوان مثال تابع ضربه واحد را به صورت ذیل نمایش می‌دهیم:

سیگنال فوق فقط در لحظه صفر وجود داشته و در سایر زمان‌ها عملاً حضور ندارد. در شکل (7) نویزهای ضربه‌ای شبیه سازی شده در گستره زمان به تصویر کشیده شده است. همانطور که می‌بینید، نویزهای ضربه‌ای، تقریباً در لحظه ظاهر و ناگهان محو می‌شوند.

شکل 10: نویزهای ضربه‌ای شبیه سازی شده در گستره زمان

در تست «پاسخ ضربه- Impulse Response»، در واقع می‌خواهیم میزان تأثیر پذیری الکتروکاردیوگرام در حضور یک سیگنال ضربه، به عنوان یک عامل خارجی در یک بازه زمانی بسیار کوتاه را بررسی کنیم. به عبارتی، قصد داریم، میزان توانایی فیلترهای به کار رفته در دستگاه الکتروکاردیوگراف (به عنوان یک سیستم) را مورد ارزیابی قرار دهیم. بدیهی است که هر چه میزان تأثیرپذیری دستگاه از نویزها کمتر باشد، دستگاه عملکرد بهتری دارد.
به زبان ساده، به خروجی دستگاه در حضور سیگنال ضربه، پاسخ ضربه گفته می‌شود. همانگونه که پاسخ توپ بیسبال به ضربه دیوار، تغییر جهت و تغییر اندازه حرکت (تکانه) است، ثبت سیگنال‌های قلبی توسط سیستم الکتروکاردیوگراف در حضور سیگنال ضربه نیز با تغییراتی مواجه شده و قطعاً انحرافاتی از سیگنال اصلی قلب در نمودارهای الکتروکاردیوگرام پدیدار می‌شود. در نمودارهای ذیل، واکنش‌های مختلف سیستم الکتروکاردیوگراف نسبت به نویزهای ضربه‌ای، نمایش داده شده است.

شکل 11: پاسخ ضربه: نمودار الکتروکاردیوگرام مختل شده با یک نویز ضربه‌ای شبیه سازی شده

شکل 12: یک نمونه نویز ضربه در ECG

سمت چپ: نمایش سیگنال‌های قلبی یک بیمار در حالیکه کلیه نویزها حذف شده و فعالیت الکتریکی واقعی قلب به نمایش در آمده است.
سمت راست: همان سیگنالها در حالت مداخله نویزهای ضربه‌ای

شکل 13: واکنش سیستم الکتروکاردیوگراف به نویز ضربه‌ای، می‌تواند به صورت جابه‌جایی خط پایه، پدیدار شود.

همانطور که در نمودارهای فوق ملاحظه می‌شود، پاسخ سیستم الکتروکاردیوگراف به نویز ضربه، همواره یکسان نیست. یکی از واکنش‌های سیستم به نویز ضربه‌ای، جابه‌جایی خط پایه است.
در آزمون کنترل کیفی «پاسخ ضربه»، بررسی میزان توانایی سیستم فیلترینگ دستگاه الکتروکاردیوگراف در حذف اثر جابه‌جایی خط پایه، در دستور کار قرار دارد. به این منظور، با استفاده از شبیه ساز Prosim 8 ساخت کمپانی Fluke، به طور همزمان یک نویز ضربه‌ای و یک سیگنال نرمال قلب را شبیه سازی کرده تا با یکدیگر مداخله کنند. دستگاه الکتروکاردیوگراف به ثبت اثرات مداخله‌ای این دو سیگنال پرداخته و پس از حذف اثرات نویز توسط سیستم فیلترینگ، نتیجه را در قالب یک نمودار ECG به ما ارائه می‌دهد. مطابق با دستورالعمل، اگر یک سیگنال ضربه با دامنه 3 میلی ولت برای 100 میلی ثانیه، سیستم الکتریکی قلب را تحت تأثیر قرار دهد؛ خط پایه نباید جابه‌جایی بزرگتر از 0.1 mv داشته باشد. ضمناً شیب ضربه نباید متجاوز از 0.3 mv/s در انتهای شکل ضربه باشد.
در نمودارهای ECG، طیف ولتاژِ سیگنال‌های ضربه در گستره زمان بررسی می‌شود. با یادآوری مفهوم و واحد اندازه گیری «ضربه نیرو» که پیشتر مطرح شد، خاطر نشان می‌شود، همانطور که سطح زیر نمودار نیرو –زمان، برابر با اندازه کمیت «ضربه نیرو» با واحد نیوتن ثانیه (N.S) است؛ سطح زیر نمودار اختلاف پتانسیل الکتریکی-زمان نیز کمیت «ضربه سیگنال الکتریکی» با واحد ولت ثانیه (V.S) را به دست می‌دهد. بنابراین در آزمون کنترل کیفی «پاسخ ضربه»، یک سیگنال با دامنه 3 mv و دیوریشن 100 ms، یک ضربه با اندازه 0.3 mv.s (میلی ولت ثانیه) را شبیه‌سازی می‌کند.

منابع:

1. Ashis Kumar Das, Suman Halder, Baseline Wander Correction and Impulse Noise Suppression Using Cascaded Empirical Mode Decomposition and Improved Morphological Algorithm, November 2017.
2. Sarthak Panda, Mihir Narayan Mohanty, Impulsive Noise Cancellation from Cardiac Signal using Modified WLMS Alogorithm based Adaptive Filter, 2017.
3. Alina Mirza, S.MehakKabir, Sara Ayub,Shahzad Aminsheikh, Impulsive Noise Cancellation of ECG signal based on SSRLS, 2015.
4. Shankar Gupta, Ramchandra Manthalkar, Suhas Gajre, Suppression of Impulse Noise using Adaptive Filters
5. Md Kafiul Islam, Signal Processing Techniques for Computational Health Informatics.
6. Patrick McSharry, Advanced Methods and Tools for ECG Data Analysis
7. Xiangyu Zhang, Jianqing Li, Zhipeng Cai, Shengyi Ma, Jian Zhang & Chengyu Liu ,An Impulsive Noise Rejection Filter for Wearable ECG Signal Processing, 2018.