Diseño y evaluación de métodos de supresión del artefacto causado en el ECG por las compresiones torácicas proporcionadas por el dispositivo mecánico LUCAS.

[Es]En este proyecto se analizan el diseño y la evaluación de dos métodos para la supresión de la interferencia generada por las compresiones torácicas proporcionadas por el dispositivo mecánico LUCAS, en el electrocardiograma (ECG) durante el masaje de resucitación cardiopulmonar. El objetivo es encontrar un método que elimine el artefacto generado en el ECG de una manera efectiva, que permita el diagnóstico fiable del ritmo cardiaco. Encontrar un método eficaz sería de gran ayuda para no tener que interrumpir el masaje de resucitación para el análisis correcto del ritmo cardiaco, lo que supondría un aumento en las probabilidades de resucitación. Para llevar a cabo el proyecto se ha generado una base de datos propia partiendo de registros de paradas cardiorrespiratorias extra-hospitalarias. Esta nueva base de datos contiene 410 cortes correspondientes a 86 pacientes, siendo todos los episodios de 30 segundos de duración y durante los cuales el paciente, recibe masaje cardiaco. Por otro lado, se ha desarrollado una interfaz gráfica para caracterizar los métodos de supresión del artefacto. Esta, muestra las señales del ECG, de impedancia torácica y del ECG tras eliminar el artefacto en tiempo. Mediante esta herramienta se han procesado los registros aplicando un filtro adaptativo y un filtro de coeficientes constantes. La evaluación de los métodos se ha realizado en base a la sensibilidad y especificidad del algoritmo de clasificación de ritmos con las señales ECG filtradas. La mayor aportación del proyecto, por tanto, es el desarrollo de una potente herramienta eficaz para evaluar métodos de supresión del artefacto causado en el ECG por las compresiones torácicas al realizar el masaje de resucitación cardiopulmonar, y su posterior diagnóstico. Un instrumento que puede ser implementado para analizar episodios de resucitación de cualquier tipo de procedencia y capaz de integrar nuevos métodos de supresión del artefacto.

New signal processing algorithms for automated external defibrillators

[ES]La fibrilación ventricular (VF) es el primer ritmo registrado en el 40\,\% de las muertes súbitas por paro cardiorrespiratorio extrahospitalario (PCRE). El único tratamiento eficaz para la FV es la desfibrilación mediante una descarga eléctrica. Fuera del hospital, la descarga se administra mediante un desfibrilador externo automático (DEA), que previamente analiza el electrocardiograma (ECG) del paciente y comprueba si presenta un ritmo desfibrilable. La supervivencia en un caso de PCRE depende fundamentalmente de dos factores: la desfibrilación temprana y la resucitación cardiopulmonar (RCP) temprana, que prolonga la FV y por lo tanto la oportunidad de desfibrilación. Para un correcto análisis del ritmo cardiaco es necesario interrumpir la RCP, ya que, debido a las compresiones torácicas, la RCP introduce artefactos en el ECG. Desafortunadamente, la interrupción de la RCP afecta negativamente al éxito en la desfibrilación. En 2003 se aprobó el uso del DEA en pacientes entre 1 y 8 años. Los DEA, que originalmente se diseñaron para pacientes adultos, deben discriminar de forma precisa las arritmias pediátricas para que su uso en niños sea seguro. Varios DEAs se han adaptado para uso pediátrico, bien demostrando la precisión de los algoritmos para adultos con arritmias pediátricas, o bien mediante algoritmos específicos para arritmias pediátricas. Esta tesis presenta un nuevo algoritmo DEA diseñado conjuntamente para pacientes adultos y pediátricos. El algoritmo se ha probado exhaustivamente en bases de datos acordes a los requisitos de la American Heart Association (AHA), y en registros de resucitación con y sin artefacto RCP. El trabajo comenzó con una larga fase experimental en la que se recopilaron y clasificaron retrospectivamente un total de 1090 ritmos pediátricos. Además, se revisó una base de arritmias de adultos y se añadieron 928 nuevos ritmos de adultos. La base de datos final contiene 2782 registros, 1270 se usaron para diseñar el algoritmo y 1512 para validarlo. A continuación, se diseñó un nuevo algoritmo DEA compuesto de cuatro subalgoritmos. Estos subalgoritmos están basados en un conjunto de nuevos parámetros para la detección de arritmias, calculados en diversos dominios de la señal, como el tiempo, la frecuencia, la pendiente o la función de autocorrelación. El algoritmo cumple las exigencias de la AHA para la detección de ritmos desfibrilables y no-desfibrilables tanto en pacientes adultos como en pediátricos. El trabajo concluyó con el análisis del comportamiento del algoritmo con episodios reales de resucitación. En los ritmos que no contenían artefacto RCP se cumplieron las exigencias de la AHA. Posteriormente, se estudió la precisión del algoritmo durante las compresiones torácicas, antes y después de filtrar el artefacto RCP. Para suprimir el artefacto se utilizó un nuevo método desarrollado a lo largo de la tesis. Los ritmos desfibrilables se detectaron de forma precisa tras el filtrado, los no-desfibrilables sin embargo no.

Electrocardiografía básica

El electrocardiograma (ECG) es el registro de la actividad eléctrica del corazón. El ECG se ha diseñado para mostrarnos la magnitud y la dirección de las corrientes eléctricas producidas por las estructuras que forman el corazón. Por lo tanto el ECG es un registro de los potenciales de acción transmembrana. Desde su invención en 1902 por Willem Einthoven, hace poco más de un siglo, se ha constituido en la herramienta diagnóstica más utilizada para el enfoque inicial de las enfermedades cardiovasculares.

Eletrocardiograma em cães: revisão

The electrocardiogram (ECG) is an important tool used in the diagnosis of cardiac arrhythmias, since it gives the graphic representation of depolarization and repolarization processes of the cardiac muscle. This study allows recording the electrical activity of myocardial cells and the underlying differences in electric potential: the magnitude of this difference is measured in millivolts (mV), and its duration is measured in seconds. The ECG is indicated when an irregular rhythm is detected during physical examination, such as bradycardias, tachycardias or arrhythmias that are not secondary to breathing, in animals with a history of syncope or weakness, for monitoring the effectiveness of antiarrhythmic therapy, in cases of putative pleural or pericardial effusion, and also in systemic diseases that lead to arrhythmia. For a reliable assessment, the ECG must be evaluated in conjunction with findings from the physical examination and clinical signs of each patient.

Diseño de cabezal de adquisición para biopotenciales

La monitorización del funcionamiento del corazón se realiza generalmente por medio del análisis de los potenciales de acción generados en las células responsables de la contracción y relajación de este órgano. El proceso de monitorización mencionado consta de diferentes partes. En primer lugar, se adquieren las señales asociadas a la actividad de las células cardíacas. La conexión entre el cuerpo humano y el sistema de acondicionamiento puede ser implementada mediante diferentes tipos de electrodos – de placa metálica, de succión, top-hat, entre otros. Antes de la adquisición la señal eléctrica recogida por los electrodos debe ser acondicionada de acuerdo a las especificaciones de la entrada de la tarjeta de adquisición de datos (DAQ o DAC). Básicamente, debe amplificar la señal de tal manera que se aproveche al máximo el rango dinámico del cuantificador. Las características de ruido del amplificador requerido deben ser diseñadas teniendo en cuenta que el ruido interno del amplificador no afecte a la interpretación del electrocardiograma original (ECG). Durante el diseño del amplificador se han tenido en cuenta varios requisitos. Deberá optimizarse ña relación señal a ruido (SNR) de la señal entre la señal del ECG y el ruido de cuantificación. Además, el nivel de la señal ECG a la entrada de la DAQ deberá alcanzar el máximo nivel del cuantificador. También, el ruido total a la entrada del cuantificador debe ser despreciable frente a la mínima señal discernible del ECG Con el objetivo de llevar a cabo un diseño electrónico con esas prestaciones de ruido, es necesario llevar a cabo un minucioso estudio de los fundamentos de caracterización de ruido. Se han abarcado temas como la teoría básica de señales aleatorias, análisis espectral y su aplicación a la caracterización en sistemas electrónicos. Finalmente, todos esos conceptos han sido aplicados a la caracterización de las diferentes fuentes de ruido en los circuitos con amplificadores operacionales. Muchos prototipos de amplificadores correspondientes a diferentes diseños han sido implementados en placas de circuito impreso (PCB – Printed Board Circuits). Aunque el ancho de banda del amplificador operacional es adecuado para su implementación en una ‘protoboard’, las especificaciones de ruido obligan al uso de PCB. De hecho, los circuitos implementados en PCB son menos sensibles al ruido e interferencias que las ‘protoboard’ dadas las características físicas de ambos tipos de prototipos.

Presença de isquemia na cintigrafia de perfusão miocárdica na ausência de estenose coronária relevante

Problemática em estudo: A frequente ocorrência da ausência de estenose coronária relevante no procedimento de Hemodinâmica/Tomografia Axial Computorizada (TAC) coronária, em pacientes nos quais fora detectada a presença de isquemia na Cintigrafia de Perfusão Miocárdica (CPM). Objectivos: Particularizar o papel das técnicas nucleares convencionais, nomeadamente a Tomografia Computorizada por Emissão de Fotão Único (SPECT), no estudo da viabilidade do tecido miocárdico. Avaliar pacientes nos quais foi identificada a presença de isquemia no exame de SPECT cardíaco mas procedimento de Hemodinâmica/TAC coronária normal ou sem estenose relevante, para pesquisa de possíveis falsos-positivos da CPM. Elaborar um estudo populacional, que permita demonstrar a relação entre a incidência de falsos positivos e factores como o género, a idade, factores de risco (hipertensão arterial, diabetes, hipercolesterolemia e tabagismo) e as alterações mais relevantes nos exames complementares de diagnóstico aos quais foram sujeitos. Definir o prognóstico para estes doentes, comparando-os com pacientes com CPM normal. Metodologia: Contextualização bibliográfica do tema, seguida do levantamento de todas as CPM realizadas no 1º semestre de 2012, em doentes seguidos no Centro Hospitalar Cova da Beira (CHCB), e a identificação daquelas com resultados positivos para a presença de isquemia; comparação com os exames de Hemodinâmica e TAC coronária para a pesquisa de falsos-positivos. Recolha de informação relativa à idade, género, factores de risco, eventos cardíacos que tenham tido lugar até um ano após a realização da CPM, e outros exames efectuados por estes pacientes, tais como o Electrocardiograma (ECG) e o Ecocardiograma. Análise estatística descritiva e inferencial dos resultados obtidos de forma a estabelecer/descartar a existência de relações entre as variáveis em estudo. Comparação dos resultados obtidos em relação a um grupo de controlo, integrado por pacientes com CPM normal realizada no mesmo período, com a elaboração de uma proposta de prognóstico para os casos falsos-positivos. Material: A recolha de dados foi baseada na Tabela de Recolha de Dados, enviada em Anexo. Os processos consultados eram processos de natureza electrónica, acessíveis por computador, através do programa Sclínico, no Gabinete de Biblioteca e Documentação do CHCB. A análise estatística dos resultados obtidos foi realizada com recurso ao programa IBM SPSS Statistics 21. Para a caracterização da amostra recorreu-se à estatística descritiva, sendo analisadas as medidas de tendência central e de dispersão (média e desvio padrão), bem como a distribuição de frequências, quer absolutas, quer relativas. Seguiu-se a inferência estatística, com o intuito de verificar possíveis relações existentes entre as variáveis. Para isso foram utilizados testes paramétricos ou não paramétricos, adequados à amostra e hipóteses em estudo, nomeadamente o teste t de Student, com recurso ainda ao teste Kolmogorov-Smirnov com correcção de significância de Lilliefors e do teste de Levene. Foi ainda utilizado o teste Qui-Quadrado e, na ausência dos pressupostos para sua aplicação, recorreu-se ao teste exacto de Fisher. Resultados/Discussão: Foi estudada uma amostra total de 144 casos de pacientes submetidos a CPM. Desta amostra foram particularizados 2 grupos; um grupo de controlo (n=81) e um grupo de falsos positivos (n=13) e analisadas as principais diferenças entre estes 2 grupos, tendo em conta as variáveis anteriormente descritas. As principais diferenças, identificadas do ponto de vista da estatística descritiva, verificaram-se ao nível do tipo de stress (farmacológico; falsos positivos - 63.64%, grupo de controlo – 40.74%), factores de risco (hipercolesterolemia; falsos positivos - 53.85%, grupo de controlo – 29.63%), ECG (fibrose; falsos positivos - 16.67%, grupo de controlo – 0%), Ecocardiograma (alteração da contractilidade segmentar; falsos positivos - 33.33%, grupo de controlo – 14.86%) e em relação aos eventos cardíacos posteriores (falsos positivos - 7.69%; grupo de controlo - 4.94%). A estatística inferencial permitiu apenas estabelecer uma relação estatisticamente significativa entre a existência de fibrose no ECG e a ocorrência de falsos positivos. Conclusão: Este estudo permitiu concluir que, de uma forma puramente descritiva, os casos falsos positivos se verificam mais predominantemente numa faixa etária média de 73.69 anos, no género feminino, com a localização das lesões na CPM a ser mais frequente no apex e mais rara no septo interventricular. O stress descritivamente mais associado a estes casos foi o stress farmacológico, com uma fracção de ejecção igual ou superior a 50%, com dois factores de risco associados, sendo os mais prevalentes a hipertensão arterial (HTA) e a hipercolesterolemia, sendo no entanto, este último, o factor de risco mais diferenciador em relação aos restantes casos. A maioria dos casos, em termos descritivos, não apresenta alterações no ECG, mas a existirem, a que mais se verifica é a fibrose. Relativamente ao ecocardiograma, existe uma maior prevalência de casos nos quais se verificam alterações neste exame complementar de diagnóstico, sendo a hipertrofia das paredes e a alteração da contractilidade segmentar do VE as alterações mais importantes, sendo, no entanto, este último, o factor mais diferenciador/característico. A prevalência descritiva de eventos cardíacos, num período de tempo após um ano da realização da CPM, é reduzida nos casos falsos positivos, mas ainda assim, superior à verificada nos restantes casos, o que em termos comparativos pressupõe uma deterioração em termos de prognóstico para estes pacientes. A análise estatística inferencial dos resultados obtidos permitiu apenas uma correlação entre a existência de fibrose no ECG e a ocorrência de falsos positivos. A análise de uma população geral de maiores dimensões, que permitisse a identificação de um número de falsos positivos igual ou superior a 30, possibilitaria, muito provavelmente, uma maior relação entre as diferentes amostragens e, consequentemente, uma base estatística que permitisse a obtenção de conclusões mais sólidas, estabelecendo/descartando as relações entre as várias variáveis em estudo, sendo esta, uma importante premissa a ter em conta para estudos futuros.

Desarrollo de herramienta software para el estudio del complejo QRS en las señales de ECG

Las enfermedades cardíacas son un problema grave y en aumento en la sociedad actual. El estudio automático del complejo QRS es fundamental en el diagnóstico de enfermedades cardíacas. Para ayudar al diagnóstico se propone una herramienta software que analiza el complejo QRS en señales de electrocardiograma. Los pasos a seguir para diseñar dicha herramienta serán: - Estudio de los diferentes métodos de detección del complejo QRS. - Propuesta de una herramienta de detección del complejo QRS en un electrocardiograma. - Diseño de un paquete software que realice diferentes estudios del complejo QRS con sus "interfaces" gráficas para facilitar la aplicación de la herramienta propuesta a nivel usuario.

Development and feasibility of a smartphone, ECG and GPS based system for remotely monitoring exercise in cardiac rehabilitation

Background Despite its efficacy and cost-effectiveness, exercise-based cardiac rehabilitation is undertaken by less than one-third of clinically eligible cardiac patients in every country for which data is available. Reasons for non-participation include the unavailability of hospital-based rehabilitation programs, or excessive travel time and distance. For this reason, there have been calls for the development of more flexible alternatives. Methodology and Principal Findings We developed a system to enable walking-based cardiac rehabilitation in which the patient's single-lead ECG, heart rate, GPS-based speed and location are transmitted by a programmed smartphone to a secure server for real-time monitoring by a qualified exercise scientist. The feasibility of this approach was evaluated in 134 remotely-monitored exercise assessment and exercise sessions in cardiac patients unable to undertake hospital-based rehabilitation. Completion rates, rates of technical problems, detection of ECG changes, pre- and post-intervention six minute walk test (6 MWT), cardiac depression and Quality of Life (QOL) were key measures. The system was rated as easy and quick to use. It allowed participants to complete six weeks of exercise-based rehabilitation near their homes, worksites, or when travelling. The majority of sessions were completed without any technical problems, although periodic signal loss in areas of poor coverage was an occasional limitation. Several exercise and post-exercise ECG changes were detected. Participants showed improvements comparable to those reported for hospital-based programs, walking significantly further on the post-intervention 6 MWT, 637 m (95% CI: 565–726), than on the pre-test, 524 m (95% CI: 420–655), and reporting significantly reduced levels of cardiac depression and significantly improved physical health-related QOL. Conclusions and Significance The system provided a feasible and very flexible alternative form of supervised cardiac rehabilitation for those unable to access hospital-based programs, with the potential to address a well-recognised deficiency in health care provision in many countries. Future research should assess its longer-term efficacy, cost-effectiveness and safety in larger samples representing the spectrum of cardiac morbidity and severity.

Characterising an ECG signal using statistical modelling : a feasibility study

For clinical use, in electrocardiogram (ECG) signal analysis it is important to detect not only the centre of the P wave, the QRS complex and the T wave, but also the time intervals, such as the ST segment. Much research focused entirely on qrs complex detection, via methods such as wavelet transforms, spline fitting and neural networks. However, drawbacks include the false classification of a severe noise spike as a QRS complex, possibly requiring manual editing, or the omission of information contained in other regions of the ECG signal. While some attempts were made to develop algorithms to detect additional signal characteristics, such as P and T waves, the reported success rates are subject to change from person-to-person and beat-to-beat. To address this variability we propose the use of Markov-chain Monte Carlo statistical modelling to extract the key features of an ECG signal and we report on a feasibility study to investigate the utility of the approach. The modelling approach is examined with reference to a realistic computer generated ECG signal, where details such as wave morphology and noise levels are variable.

Computation of ECG signal features using MCMC modelling in software and FPGA reconfigurable hardware

Computational optimisation of clinically important electrocardiogram signal features, within a single heart beat, using a Markov-chain Monte Carlo (MCMC) method is undertaken. A detailed, efficient data-driven software implementation of an MCMC algorithm has been shown. Initially software parallelisation is explored and has been shown that despite the large amount of model parameter inter-dependency that parallelisation is possible. Also, an initial reconfigurable hardware approach is explored for future applicability to real-time computation on a portable ECG device, under continuous extended use.

Syntactic Approach to ECG Rhythm Analysis

A diagnostic system for ECG rhythm monitoring based on syntactic approaches to pattern recognition is presented here. The method proposed exploits the difference in shape and structure between arrhythmic and normal ECG patterns to generate distinctly different descriptions in terms of a chosen set of primitives. A given frame of signal is first approximated piecewise linearly into a set of line segments which are completely specified in terms of their length and slope values. The slope values are quantized into seven distinct levels and a unit-length line segment with a slope value in each of these levels is coded as a slope symbol. Seven such slope symbols constitute the set of primitives. The given signal is represented as a string of such symbols based on the length and angle of the line segments approximating the signal. Context-free languages are used for describing the classes of abnormal and normal ECG patterns considered here. Analysis of actual ECG data shows efficiency comparable with that of existing methods and a saving in processing time.

Homomorphic Analysis and Modeling of ECG Signals

Homomorphic analysis and pole-zero modeling of electrocardiogram (ECG) signals are presented in this paper. Four typical ECG signals are considered and deconvolved into their minimum and maximum phase components through cepstral filtering, with a view to study the possibility of more efficient feature selection from the component signals for diagnostic purposes. The complex cepstra of the signals are linearly filtered to extract the basic wavelet and the excitation function. The ECG signals are, in general, mixed phase and hence, exponential weighting is done to aid deconvolution of the signals. The basic wavelet for normal ECG approximates the action potential of the muscle fiber of the heart and the excitation function corresponds to the excitation pattern of the heart muscles during a cardiac cycle. The ECG signals and their components are pole-zero modeled and the pole-zero pattern of the models can give a clue to classify the normal and abnormal signals. Besides, storing only the parameters of the model can result in a data reduction of more than 3:1 for normal signals sampled at a moderate 128 samples/s

Component wave delineation of ECG by filtering in the Fourier domain

A complete solution to the fundamental problem of delineation of an ECG signal into its component waves by filtering the discrete Fourier transform of the signal is presented. The set of samples in a component wave is transformed into a complex sequence with a distinct frequency band. The filter characteristics are determined from the time signal itself. Multiplication of the transformed signal with a complex sinusoidal function allows the use of a bank of low-pass filters for the delineation of all component waves. Data from about 300 beats have been analysed and the results are highly satisfactory both qualitatively and quantitatively.

ECG component delineation by Prony's method

A simple, non-iterative method for component wave delineation from the electrocardiogram (ECG) is derived by modelling its discrete cosine transform (DCT) as a sum of damped cosinusoids. Amplitude, phase, damping factor and frequency parameters of each of the cosinusoids are estimated by the extended Prony method. Different component waves are represented by non-overlapping clusters of model poles in the z plane and thus a component wave is derived by the addition of the inverse transformed (IDCT) impulse responses of the poles in the cluster. Akaike's information criterion (AIC) is used to determine the model order. The method performed satisfactory even in the presence of artifacts. The efficacy of the method is illustrated by analysis of continuous strips of ECG data.