Набор данных с сейсмокардиографией свиней при гиповолемии для индексирования качества сигнала и проверенных временных меток сердца

Слушая сердце, не нарушая кожу

Представьте, что можно проверить, насколько эффективно бьётся ваше сердце, используя не трубки и катетеры в артериях, а простой маленький адгезивный датчик движения на груди. Это обещает сейсмокардиография — метод записи крошечных вибраций грудной клетки, возникающих при каждом сокращении сердца. В этой статье представлен строго размеченный набор данных, собранный на свиньях при контролируемой потере крови, который даёт исследователям надёжную опору для превращения этих вибраций в инструменты раннего выявления опасных снижений объёма крови и нарушений работы сердца.

Почему вибрации сердца важны

Сердечно‑сосудистые заболевания остаются одной из ведущих причин смерти, и у многих людей критические симптомы впервые проявляются вне больницы. Непрерывный и недорогой мониторинг мог бы помочь заметить проблему раньше, особенно в машинах скорой помощи, сельских клиниках или дома. Сейсмокардиография (SCG) фиксирует едва уловимое дрожание грудной клетки с помощью миниатюрных акселерометров и может показать, когда открываются и закрываются клапаны сердца, с какой силой сокращается сердце и как меняется объём крови. Предыдущие исследования указывают, что измерения на основе вибраций могут оценивать артериальное давление, ударный объём и объём крови более чувствительно, чем простые витальные показатели, такие как частота сердечных сокращений или среднее артериальное давление. Но одно серьёзное препятствие тормозило прогресс: у исследователей не было большого открытого набора SCG‑сигналов, тщательно проверенных и размеченных экспертами.

Недостающий элемент: надёжные эталонные данные

Существующие публичные базы содержат SCG вкупе с другими сигналами, например электрокардиограммой (ЭКГ), регистрирующей электрическую активность сердца, и формами кривых артериального давления. Однако большинство таких коллекций не содержат точных отметок ключевых событий сердцебиения, таких как момент открытия аортального клапана (AO) или его закрытия (AC), и не имеют согласованной оценки чистоты каждого сердечного сокращения. Без таких меток трудно обучать или тестировать алгоритмы, которые должны надёжно работать на реальных сигналах, насыщенных движением, разговорами и другими помехами. Авторы этого исследования поставили себе задачу заполнить этот пробел, создав тщательно аннотированный набор данных и инструменты для его формирования, сосредоточившись на требовательном сценарии: гиповолемии — опасной потере или перераспределении объёма крови, которая может привести к шоку.

Контролируемое изучение кровопотери на свиньях

Для создания набора данных команда использовала шесть йоркширских свиней, чья анатомия сердца и грудной клетки во многом схожа с человеческой. Пока животные находились под наркозом на спине, исследователи постепенно изменяли объём крови двумя способами: путём её забора (абсолютная гиповолемия) и введением препаратов, расширяющих сосуды (относительная гиповолемия), с последующей реанимацией собственной кровью животных. На всех этапах непрерывно записывали SCG с датчиков на груди и спине, ЭКГ со стандартных электродов и высокоточное артериальное давление с помощью катетера, установленного в корне аорты. Затем записи разделили на отдельные сердечные циклы, используя ЭКГ как временной ориентир, и для ручной проверки выбирали каждый пятый цикл, что дало 17 059 SCG‑ударов, охватывающих нормальные условия, тяжёлую потерю крови и восстановление.

Как эксперты отмечали каждое сердцебиение

Исследователи разработали специализированный графический интерфейс, чтобы ускорить и унифицировать экспертную разметку. Каждый SCG‑удар показывали вместе с соответствующим ему ЭКГ‑ударом и тепловой картой, иллюстрирующей изменение соседних ударов со временем. Обученные аннотаторы — аспиранты и постдоки, специализирующиеся на кардиосигналах — кликом отмечали четыре ключевые точки на каждом SCG‑ударе: открытие аортального клапана (AO), закрытие аортального клапана (AC), впадину сразу после AC (ACv) и открытие митрального клапана (MO), отмечающее начало наполнения желудочка. Они также оценивали качество сигнала как «хорошее», «среднее» или «плохое» в зависимости от того, насколько чётко видны важные признаки. Каждый удар независимо размечали двое аннотаторов, а при необходимости третья персона выступала арбитром. Финальные значения для каждого временного маркера и оценки качества определяли как медиану трёх решений, что снижает влияние выбросов и разногласий.

Сравнение с золотым стандартом

Чтобы убедиться, что метки действительно отражают реальную работу сердца, авторы сопоставили экспертные отметки с временными метками, извлечёнными из инвазивного катетера в аортальном давлении, который напрямую регистрирует подъём и спад давления при сердечных сокращениях. С помощью шагов обработки сигнала, таких как фильтрация, усреднение и анализ кривизны формы давления, они оценили истинные моменты AO и AC для каждого выбранного удара. Затем измерили, насколько близко человеческие аннотации соответствовали этим катетерным временам. По всем свиньям отмечена очень сильная корреляция для событий AO (r = 0.926) с катетерными измерениями, а события AC были столь же точны (r = 0.911). Статистические меры согласованности, включая различные метрики межэкспертной надёжности, показали, что аннотаторы в целом были последовательны друг с другом, особенно для более визуально выраженных маркеров, таких как AO и основные впадины фазы наполнения.

Что это означает для будущего мониторинга сердца

Для неспециалиста эта работа представляет собой надёжный «словарь», переводящий вибрации грудной клетки в точные события сердцебиения, верифицированные по самым точным внутренним измерениям. Публично открыв исходные формы сигналов и экспертные разметки вместе с программным обеспечением для аннотации, авторы создают основу, на которой другие могут строить более умные алгоритмы для обнаружения кровопотери, мониторинга сердечной недостаточности или отслеживания восстановления после операций с использованием носимых датчиков. Проще говоря, этот набор данных помогает сократить разрыв между многообещающими лабораторными прототипами и надёжными инструментами, которые однажды смогут предупредить врачей, спасателей или самих пациентов о проблемах с сердцем задолго до того, как станет слишком поздно.

Цитирование: Cho, M.J., Yaldiz, C.O., Nawar, A. et al. Seismocardiography Pig Hypovolemia Dataset for Signal Quality Indexing and Validated Cardiac Timings. Sci Data 13, 423 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-06733-2

Ключевые слова: сейсмокардиография, кардиомониторинг, обнаружение потери крови, носимые датчики, аннотированные биомедицинские наборы данных