مقدمه
۱-۱- مقدمه
سیگنال تابعی از یک یا چند متغیر مستقل است که اطلاعاتی را در مورد یک پدیده فیزیکی یا بیولوژیکی در بردارد. موجودات زنده از سلول گرفته تا ارگان‌های بدن، سیگنال‌هایی با منشاء بیولوژیکی تولید می کنند. این سیگنال‌ها به صورت الکتریکی، مکانیکی یا شیمیایی‌اند. سیگنال‌های الکتریکی نتیجه دپلاریزاسیون سلول‌های عصبی یا ماهیچه قلبی‌اند. صدای تولید شده توسط دریچه‌های قلب نمونه‌ای از سیگنال‌های مکانیکی است. این سیگنال‌های بیولوژیکی یا سیگنال‌های حیاتی برای تشخیص پزشکی و تحقیقات زیست-پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیگنال‌های حیاتی در سطح بدن وضعیت درونی و فعالیت الکتریکی بدن را منعکس می‌کنند. بنابراین با بهره گرفتن از اندازه‌گیری غیر تهاجمی اطلاعاتی درباره ارگان‌های داخلی فراهم می‌کند. الکتروکاردیوگرام توسط کاردیولوژیست‌ها برای اهداف تشخیصی استفاده می‌شود و اطلاعات کلیدی درباره فعالیت الکتریکی ECG^[1] ارائه می‌دهد. بنابراین با نمایش دائمی این سیگنال می‌توان تغییرات فعالیت الکتریکی قلب را در طول زمان مشاهده نمود که این تغییرات،شامل اطلاعات بسیارکلیدی برای پزشکان می باشد]۱[.
۱-۲- تعریف مسئله
قلب یکی از مهمترین اعضای بدن است که وظیفه پمپ کردن خون در سیستم قلبی عروقی را به عهده دارد. چنانچه عملکرد قلب از نظم طبیعی (ریتم) خود خارج شود، گردش خون به خوبی انجام نمی شود و این امر می‌تواند خطرهای جدی برای فرد به دنبال داشته باشد، از این رو تشخیص درست و به موقع آریتمی‌های قلبی از اهمیت به سزایی برخوردار است. یکی از راه های شناخته شده برای تشخیص به موقع این آریتمی‌ها بررسی فعالیت‌های الکتریکی قلب با بهره گرفتن از سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی یا به اختصار ECG، است. تغییرات معنی داری از ساختار قلب بیماران و ضربان‌های آن با بهره گرفتن از این سیگنال‌ها قابل تشخیص هستند‌]۲[. در چندین سال اخیر،طبقه‌بندی خودکار سیگنال‌های الکتروکاردیوگرام توجه زیاد مهندسین پزشکی را به خود جلب کرده است. به واسطه این سیگنال‌ها یک متخصص قلب اطلاعاتی مفید درباره ریتم و عملکرد قلب خواهد داشت. بنابراین آنالیز آن نشان دهنده ی یک راه مؤثر برای شناسایی و درمان انواع بیماری‌های قلبی است]۳[.
برای طراحی یک سیستم هوشمند تشخیص آریتمی‌های قلبی از روی سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی،لازم است ابتدا ویژگی های مناسبی از روی این سیگنال‌ها استخراج شود. با توجه به اینکه ضرایب موجک قادرند اطلاعات زمان-فرکانس سیگنال را به طور توام توصیف کنند، یکی از انتخاب ها برای استخراج ویژگی از یک سیگنال الکتروکاردیوگرافی خواهد بود. در این راستا باید تعداد سطوح تجزیه و نوع موجک مشخص شوند. همچنین، نتایج تحقیقات قبلی نشان داده است که برای استخراج ویژگی از سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی خانواده دابیچز و هار در مقایسه با سایر موجک‌ها بسیار مناسب‌تر هستند ]۴[. تشخیص پزشک براساس اطلاعات زمانی و ریخت‌شناسی استخراج شده از سیگنال الکتروکاردیوگرافی است. در حالی که گاهی اوقات تحلیل موجک بر روی سیگنال‌های قلبی به تنهایی برای طبقه‌بندی کافی نیست و به همین دلیل استفاده از دیگر ‌مشخصه‌ های موجود در سیگنال‌های قلبی برای طبقه‌بندی بیماری‌های قلبی ضروری است. برای توصیف کامل‌تر سیگنال‌های الکتروکاردیوگرافی علاوه بر ویژگی‌های موجک از ویژگی‌های زمانی نیز استفاده می‌شود. ]۴[.
۱-۳- ضرورت و اهمیت تحقیق
از آنجائی که ECG پزشک را قادر می­سازد تا فعالیت الکتریکی قلب را ثبت کند، می­توان به کمک آن بیماری‌های قلبی را تشخیص داد. برای از بین بردن خطای انسانی و همچنین استفاده از بانک­های اطلاعاتی موجود در تشخیص دقیق و سریع بیماری­ها، از آنالیز خودکار کامپیوتری استفاده می‌شود.. بنابراین در این پژوهش سعی در تشخیص خودکار بیماری‌های قلبی شده که در آینده­ای قابل پیش ­بینی سبب حذف اشتباهات انسانی در تشخیص بیماری­ها می‌شود. هدف از انجام این تحقیق ارائه یک روش مناسب برای تشخیص خودکار ۵ بیماری‌ مهم قلبی، شامل نارسائی­های RBBB^[2]،LBBB^[3] و PVC^[4] وAPC^[5] وP^[6] می‌باشد.
۱-۴- روش تحقیق
در این پژوهش ابتدا داده‌های مربوط به سیگنال ECG از پایگاه داده تهیه می‌شود و پیش پردازش آن‌ها جهت انتخاب سیگنال‌های مناسب و همچنین پنجره‌گذاری روی آنها انجام خواهد شد. سپس ویژگی های مناسبی استخراج و بر اساس این ویژگی‌ها عمل طبقه‌بندی انجام می‌شود. مراحل فوق با بهره گرفتن از نرم افزار متلب صورت خواهد گرفت.
۱-۵- تعریف مفاهیم
سیگنال الکتریکی قلب:
انتشار پتانسیل عمل در قلب، یک جریان ایجاد می‌کند. این جریان به نوبه خود تولید یک میدان الکتریکی می کند که می‌تواند با بهره گرفتن از یک سیستم اندازه‌گیری ولتاژ تفاضلی به صورت خیلی ضعیف در سطح بدن بدست آید. سیگنال اندازه‌گیری شده به این طریق، هنگامی که به وسیله الکترودهایی در مکان‌های استاندارد گرفته شود، به عنوان الکتروکاردیوگرام یا به اختصار ECG شناخته میشود. سیگنال ECG معمولی، در رنج ±۲mv است و برای ثبت آن نیاز به دستگاهی با پهنای باند ۰.۵ تا ۱۵هرتز می‌باشد. به عبارت دیگر ECG یک نمایش گرافیکی از فعالیت قلب به صورت سیگنال الکتریکی است که در طول یک دوره زمانی ثبت شده است[۵].
وجود فعالیت الکتریکی برای ایجاد ضربان در قلب ضروری است. خون‌رسانی کافی به بافت‌‌های بدن، مستلزم تعداد ضربان کافی قلب بوده و هم چنین باید زمان‌بندی و توالی انقباضات عضلانی قلب به دقت هماهنگ باشند. ضربان‌ساز طبیعی قلب، “گره سینوسی- دهلیزی SA ” است که یک گروه میکروسکوپی از سلول‌های الکتریکی تخصص یافته قلبی می‌باشند و در بالای دهلیز راست واقع شده‌اند. به دنبال ایجاد یک تحریک الکتریکی توسط “گره سینوسی– دهلیزی “، یک ضربان قلب ایجاد می‌شود. این تحریک از طریق مسیرهای اختصاصی به سلول‌های بافت عضلانی دیواره‌های قلب منتقل می‌شود. این تحریک ابتدا حفره‌های فوقانی قلب یعنی دهلیزها را منقبض می‌کند و خون را به داخل بطن‌ها می‌راند. سپس تحریک به ناحیه دیگری از سلول‌های الکتریکی تحت عنوان “گره دهلیزی- بطنی “، که در بالای بطن‌ها واقع شده است، منتقل می‌گردد. این گره به شکل یک ایستگاه تأخیری در مسیر تحریک عمل می‌کند و اجازه می‌دهد دهلیزها به طورکامل تخلیه شوند. پس از یک فاصله کوتاه زمانی، تحریک از طریق مسیرهای شاخه‌ای وارد بطن‌ها شده و منجر به‌انقباض آنها می‌گردد.
سیگنال ECG در طول هر سیکل کاری قلب، دارای منحنی مشخصه‌ای به صورت شکل ۱-۱ است.
شکل ۱-۱ : یک سیکل از سیگنال ECG
پتانسیل عمل عضله قلب
فرایند انقباض هماهنگ بخش‌های مختلف قلب توسط پتانسیل عمل در سلول‌های موجود در بافت قلب انجام می‌گیرد. در ادامه مراحل مختلف پتانسیل عمل در یک سلول قلبی جهت ایجاد انقباض ماهیچه قلب بررسی می‌گردد[۸].
مرحله استراحت :
پیش از وقوع پتانسیل عمل، مرحله استراحت بر غشا حاکم است. در این مرحله گفته می‌شود که غشا پلاریزه یا قطبی است. زیرا پتانسیل آن ۹۰- میلی‌ولت است.
مرحله دپلاریزاسیون :
در این مرحله غشا ناگهان نسبت به یون سدیم نفوذپذیر می‌شود و اجازه می‌دهد تا تعداد بی‌شماری یون مثبت سدیم به درون آکسون جاری شود. حالت طبیعی پلاریزه با پتانسیل ۹۰- میلی‌ولت از بین می‌رود و پتانسیل به سرعت در جهت مثبت بالا می‌رود. به‌این حالت دپلاریزاسیون می‌گویند.
مرحله رپلاریزاسیون :
در چند ده‌هزارم ثانیه بعد از اینکه غشا به شدت نسبت به سدیم نفوذپذیر گردید،‌کانال‌های سدیم شروع به بسته شدن می‌کنند و کانال‌های پتاسیمی به میزان بیشتری نسبت به حالت طبیعی بازمی‌گردند. سپس انتشار سریع یون‌های پتاسیم به خارج، مجددا پتانسیل غشا را به حالت منفی زمان استراحت می‌رساند؛ به‌این حالت رپلاریزاسیون غشا می‌گویند.
موج P :
انتشار پتانسیل تحریک از طریق دهلیز، باعث انقباض دهلیز میشود )دپلاریزاسیون( و موج P را تولید می‌کند. دامنه موج P به طور نرمال کم است.
منحنی QRS :
منحنی QRS مربوط به دوره زمانی انقباض یا دپلاریزاسیون بطنی است. سیگنال رپلاریزاسیون^[۷] دهلیزی مغلوب سیگنال بسیار بزرگتر بطنی می شود. این سیگنال حاصل دپلاریزاسیون بطنی است. منحنی QRS به دلیل حجم بافت بطنی که درگیر است سیگنال بسیار بزرگتری نسبت به موج P است.
موج T :
موج T نتیجه انبساط یا رپلاریزاسیون بطن‌ها است و دارای طول زمانی بیشتری نسبت به منحنی QRS است، زیرا رپلاریزاسیون بطنی بسیار آهسته تر از دپلاریزاسیون اتفاق می‌افتد.
قطعه ST :
بخش ST زمان بین دپلاریزاسیون و رپلاریزاسیون بطنی را نشان می­دهد. بخش ST از پایان کمپلکس QRS شروع می‌شود و در آغاز موج T پایان می­یابد. در حالت نرمال، بخش ST به‌اندازه ۰.۱۲ ثانیه یا کمتر است.
بازه QT:
بازه QT از آغاز موج (Qi) Q شروع می‌شود و در نقطه پایان موج (Ti) Tتمام می‌شود، که نشان دهنده طول زمان سیکل دپلاریزاسیون یا رپلاریزاسیون است. اندازه نرمال زمانی بازه QTحدود ۰.۳۸ ثانیه است، و اندازه ‌آن در مردان و زنان و در سنین مختلف، متفاوت است. به عنوان یک قانون کلی، فاصله زمانی QT باید حدود ۰.۴۰ درصد فاصله زمانی R-R اندازه‌گیری شده باشد.
بیماریهای ضربان قلب :
از تحلیل تغییرات ایجاد شده درشکل سیگنال نرمال الکتروکاردیوگرام می‌توان برای تشخیص بسیاری از انواع آریتمی و بیماری‌های قلبی استفاده شود. سیگنال الکتروکاردیوگرام می‌تواند به بخش‌ها و فواصل زمانی گوناگون تقسیم شود که با تعیین محدوده برای این بخش‌ها، ضربان‌های غیر نرمال تشخیص داده شوند. سیگنالهای ECG با توجه به شکل آنها و نوع آریتمی‌ها به گروه‌های مختلف تقسیم می شوند. انواع ضربان‌های قلبی با توجه به پایگاه داده MIT-BIH در جدول ۱-۱ نشان داده شده‌اند]۶[.