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.

Rhythm Analysis during Cardiopulmonary Resuscitation: Past, Present, and Future

Survival from out-of-hospital cardiac arrest depends largely on two factors: early cardiopulmonary resuscitation (CPR) and early defibrillation. CPR must be interrupted for a reliable automated rhythm analysis because chest compressions induce artifacts in the ECG. Unfortunately, interrupting CPR adversely affects survival. In the last twenty years, research has been focused on designing methods for analysis of ECG during chest compressions. Most approaches are based either on adaptive filters to remove the CPR artifact or on robust algorithms which directly diagnose the corrupted ECG. In general, all the methods report low specificity values when tested on short ECG segments, but how to evaluate the real impact on CPR delivery of continuous rhythm analysis during CPR is still unknown. Recently, researchers have proposed a new methodology to measure this impact. Moreover, new strategies for fast rhythm analysis during ventilation pauses or high-specificity algorithms have been reported. Our objective is to present a thorough review of the field as the starting point for these late developments and to underline the open questions and future lines of research to be explored in the following years.

Bihotz-biriketako berpizte masajeak EKG-an eta bular-inpedantzian eragindako interferentziaren azterketa

[EU]Proiektu honetan bihotz-biriketako berpizte masajearen bular-sakadek elektrokardiograman eta bular-inpedantziaren seinaleetan eragindako interferentziaren azterketa egiten da. Helburu nagusia bi interferentzia hauen arteko erlazioa aztertzea da, horretarako tresna garatuz. Erlazio hau definitzeak interferentziaren eragina txikitzeko modua aurkitzen lagunduko luke, eta honek berpizteko aukerak handituko lituzke. Proiektua gauzatzeko ospitalez kanpoko geldialdien erregistro multzo batetik abiatuta datu-base propioa garatu da ezarritako irizpide batzuk jarraituz. Datu-base berri hau 37 pazienteren 237 mozketak osatzen dute, 10 segundotako luzera minimoarekin non pazienteek asistolia bitarteko kanpoko bular masajea jasotzen duten. Bestalde, interferentzia ezaugarritzeko interfaze grafiko bat garatu da, elektrokardiograma eta bular-inpedantziaren seinaleak denboran eta maiztasunean erakutsi eta hauen parametro esanguratsuak automatikoki zein eskuz ateratzeko aukera ematen duena. Parametroak seinaleen sakada bakoitzeko maximo eta minimoak, beraien kokapenak eta oinarrizko maiztasuna, bere harmonikoak eta hauen anplitudeak dira. Tresna hau erabiliz aipatutako datu-baseko episodioen prozesaketa egin da. Bukatzeko, lortutako emaitzak tratatzeko bigarren interfaze grafiko bat garatu da, non emaitzen banaketa estatistikoa eta hauen arteko erlazio lineala aztertzen diren. Proiektuaren ekarpen nagusia, beraz, bihotz-biriketako berpizte masajeak eragindako interferentzia aztertzeko tresna ahaltsuaren garapena da, jatorri desberdineko bestelako berpizte episodioak aztertzeko ere balio duena.

Plataforma de investigación en el ámbito de la resucitación cardio-pulmonar basada en un maniquí de entrenamiento sensorizado

[ES]Hoy en día las muertes por parada cardiorrespiratoria superan en número a otras más mediáticas como aquellas que se producen por incendios o en accidentes de tráfico, y sin embargo su repercusión es mucho menor. Este hecho debe ser motivo de preocupación ya que, con una correcta formación de la población en materia de resucitación cardíaca, muchas de estas muertes podrían ser evitadas. Con el objetivo de reducir estas estadísticas han surgido multitud de estudios y proyectos de investigación consistentes en tratar de mejorar las herramientas disponibles tanto para personal sanitario como no sanitario. En este marco se encuadra el proyecto presentado en este documento, consistente en la sensorización de un maniquí de entrenamiento para episodios de parada cardiorrespiratoria, el cual ofrecerá la posibilidad de analizar con detalle el artifact o interferencia generada por el rescatador sobre el paciente en el momento de efectuar la maniobra de resucitación, así como la interferencia causada por el contacto electrodo-piel. Paralelamente podrá ser utilizado como mero instrumento de entrenamiento para posibles situaciones reales. El porqué de la utilización de este tipo de maniquíes reside principalmente en la imposibilidad de emplear personas debido a las posibles lesiones torácicas que pueden ocurrir por las compresiones realizadas. Finalmente debe citarse el hecho de que no es imprescindible tener conocimientos médicos para poder aplicar las técnicas básicas de resucitación cardíaca, acción que incrementa las posibilidades de supervivencia de un paciente de manera excepcional, ya que cada minuto que pasa desde la parada cardiorrespiratoria la probabilidad de supervivencia disminuye en un porcentaje significativamente elevado. Tomando como base lo descrito hasta ahora, en este documento se detalla la solución técnica de la sensorización de un maniquí genérico para la adquisición de las señales de fuerza de compresión, aceleración sufrida por el pecho en tres ejes ortogonales, profundidad de compresión, impedancia entre los dos electrodos colocados sobre el pecho del paciente y señal electrocardiográfica emitida por el corazón; además, se incluye la posibilidad de inyectar una señal electrocardiográfica previamente grabada. La base de registros obtenida de estos ensayos podrá ser utilizada posteriormente para su análisis, ya que su similitud con señales extraídas en un caso real es máxima.

Bihotz biriketako berpiztea simulatzeko panpin baten kudeaketarako tresna

[EU]Lan honen helburua, sentsorizatutako panpina kontrolatzeko software bat garatzea da, bihotz biriketako berpiztearen inguruko ikerkuntza sustatzeko helburuarekin. Kontrol hau aurrera eramateko bihotz biriketako berpiztearen inguruko kalitate parametro garrantzitsuenak jasotzen dituzten sentsoreekin hornitutako panpina bat erabili da, softwarearen eta panpinaren sentsoreen arteko interfaze gisa NI-DAQ National Instruments-eko txartela erabili delarik. Eskema honi jarraituz, software honek eskaintzen dituen funtzionalitate garrantzitsuenak hurrengoak dira: panpinaren bihotza simulatuko duen elektrokardiograma seinale bat panpinara transferitzea, sentsoreetatik lortutako informazioa biltegiratzea eta denbora errealean bistaratzea eta aurretiaz grabatutako erregistroen erreprodukzioa. Software hau garatzearen arrazoi nagusiak, bihotz biriketako berpiztearen kalitatea hobetzea eta elektrodoen eta pazientearen azalaren arteko kontaktuak elektrokardiograman sortzen duen interferentzia ezaugarritzea dira, bihotz-geldiunea pairatzen duen pazientearen bizi-iraupena handituko duten tresnen garapena sustatuz. Izan ere, bihotz-heriotza da herrialde garatuenen lehen heriotza-arrazoia.

Dispositivos suprágloticos: una aproximación a su uso en el ámbito extrahospitalario

[Es]Introducción: El manejo óptimo de la vía aérea extrahospitalaria es todavía incierto. Los dispositivos supraglóticos y la intubación endotraqueal han sido utilizados en los últimos años por los servicios de emergencia, pero no se conoce aún si el uso de los nuevos dispositivos supraglóticos mejora la supervivencia. Objetivo: Determinar la supervivencia a corto plazo (igual o menor a 1 mes) entre los dispositivos supraglóticos y la intubación endotraqueal en la parada cardíaca extrahospitalaria. Metodología: Se realizó una revisión bibliográfica en las bases de datos de Cochrane, Pubmed, MEDES, Scopus, CINAHL, Science Direct e IBECS y una búsqueda manual en las revistas Emergencias, Prehospital Emergency Care y Annals Emergency Medicine de estudios comprendidos entre los años 2004- 2014 que comparasen la supervivencia en la parada cardíaca extrahospitalaria del adulto entre los dispositivos supraglóticos y la intubación endotraqueal. Resultados: Se identificaron 9 estudios elegibles: 2 revisiones sistemáticas (una con metaanálisis), 1 ensayo clínico aleatorizado y 6 estudios de cohortes. 6 de los estudios mostraron mejores resultados en la intubación endotraqueal, 2 en los que no hubo diferencias y uno de ellos mostró mejores resultados en los dispositivos supraglóticos. Conclusiones: La intubación endotraqueal proporciona mayor supervivencia que los dispositivos supraglóticos en la parada cardíaca extrahospitalaria en adultos. Los dispositivos supraglóticos deberían utilizarse por parte de personal con poca experiencia en el uso de la intubación endotraqueal o como alternativa a la intubación fallida o con dificultad.

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.

Aireztapenen maiztasunaren neurketa bihotz biriketako berpiztean kapnografia erabiliz.

[EN]Hyperventilation, which is common both in-hospital and out-of-hospital cardiac arrest, decreases coronary and cerebral perfusion contributing to poorer survival rates in both animals and humans. Current resucitation guidelines recommend continuous monitoring of exhaled carbon dioxide (CO2) during cardiopulmonary resucitation (CPR) and emphasize good quality of CPR, including ventilations at 8-10 min1. Most of commercial monitors/de- brilators incorporate methods to compute the respiratory rate based on capnography since it shows uctuations caused by ventilations. Chest compressions may induce artifacts in this signal making the calculation of the respiratory rate di cult. Nevertheless, the accuracy of these methods during CPR has not been documented yet. The aim of this project is to analyze whether the capnogram is reliable to compute ventilation rate during CPR. A total of 91 episodes, 63 out-of-hospital cardiac arrest episodes ( rst database) and 28 in-hospital cardiac arrest episodes (second database) were used to develop an algorithm to detect ventilations in the capnogram, and the nal aim is to provide an accurate ventilation rate for feedback purposes during CPR. Two graphic user interfaces were developed to make the analysis easier and another two were adapted to carry out this project. The use of this interfaces facilitates the managment of the databases and the calculation of the algorithm accuracy. In the rst database, as gold standard every ventilation was marked by visual inspection of both the impedance, which shows uctuations with every ventilation, and the capnography signal. In the second database, volume of the respiratory ow signal was used as gold standard to mark ventilation instants since it is not a ected by chest compressions. The capnogram was preprocessed to remove high frequency noise, and the rst di erence was computed to de ne the onset of inspiration and expiration. Then, morphological features were extracted and a decission algorithm built based on the extracted features to detect ventilation instants. Finally, ventilation rate was calculated using the detected instants of ventilation. According to the results obtained in this project, the capnogram can be reliably used to give feedback ventilation rate, and therefore, on hyperventilation in a resucitation scenario.

Análisis de la interferencia inducida en el electrocardiograma y señal de impedancia por compresiones torácicas sobre un maniquí.

[EN]This paper presents a project within that research field. The project consists on the development of an experimental environment comprised by a sensorized practice manikin and a management software system. Manikin model allows the simulation of cardiac arrest episodes on laboratory settings. The management software system adds the capacity to compute and analyze the characteristics of the artifact induced on the electrocardiogram and the thoracic impedance signals by chest compressions during cardiopulmonary resuscitation due to variations of the electrode-skin interface. The main reason for choosing this kind of model is the impossibility to use real people because of the risk of thoracic injuries during chest compression. Moreover, this platform could be used for training in reanimation techniques for real situations. Even laypeople with minimal training can perform cardiopulmonary resuscitation. This can reduce the response time to an emergency while the healthcare personnel arrives, which is key to improve outcomes, since with every minute the chances of survival decrease approximately 10%. It is not necessary to have medical knowledge to perform cardiopulmonary resuscitation, which could increase chances of survival for a patient with an early reanimation since In this context, this paper details the technique solution for the manikin sensorisation to acquire the electrocardiogram, the impedance signal measured between the defibrillation pads placed on the patient’s chest, the compression depth, the compression force and the acceleration experienced by the chest in the three orthogonal axes. Moreover, it is possible to inject a previously recorded electrocardiogram signal.

A New Method for Feedback on the Quality of Chest Compressions during Cardiopulmonary Resuscitation

Quality of cardiopulmonary resuscitation (CPR) improves through the use of CPR feedback devices. Most feedback devices integrate the acceleration twice to estimate compression depth. However, they use additional sensors or processing techniques to compensate for large displacement drifts caused by integration. This study introduces an accelerometer-based method that avoids integration by using spectral techniques on short duration acceleration intervals. We used a manikin placed on a hard surface, a sternal triaxial accelerometer, and a photoelectric distance sensor (gold standard). Twenty volunteers provided 60 s of continuous compressions to test various rates (80-140 min(-1)), depths (3-5 cm), and accelerometer misalignment conditions. A total of 320 records with 35312 compressions were analysed. The global root-mean-square errors in rate and depth were below 1.5 min(-1) and 2 mm for analysis intervals between 2 and 5 s. For 3 s analysis intervals the 95% levels of agreement between the method and the gold standard were within -1.64-1.67 min(-1) and -1.69-1.72 mm, respectively. Accurate feedback on chest compression rate and depth is feasible applying spectral techniques to the acceleration. The method avoids additional techniques to compensate for the integration displacement drift, improving accuracy, and simplifying current accelerometer-based devices.

A Reliable Method for Rhythm Analysis during Cardiopulmonary Resuscitation

nterruptions in cardiopulmonary resuscitation (CPR) compromise defibrillation success. However, CPR must be interrupted to analyze the rhythm because although current methods for rhythm analysis during CPR have high sensitivity for shockable rhythms, the specificity for nonshockable rhythms is still too low. This paper introduces a new approach to rhythm analysis during CPR that combines two strategies: a state-of-the-art CPR artifact suppression filter and a shock advice algorithm (SAA) designed to optimally classify the filtered signal. Emphasis is on designing an algorithm with high specificity. The SAA includes a detector for low electrical activity rhythms to increase the specificity, and a shock/no-shock decision algorithm based on a support vector machine classifier using slope and frequency features. For this study, 1185 shockable and 6482 nonshockable 9-s segments corrupted by CPR artifacts were obtained from 247 patients suffering out-of-hospital cardiac arrest. The segments were split into a training and a test set. For the test set, the sensitivity and specificity for rhythm analysis during CPR were 91.0% and 96.6%, respectively. This new approach shows an important increase in specificity without compromising the sensitivity when compared to previous studies.

Feedback on the Rate and Depth of Chest Compressions during Cardiopulmonary Resuscitation Using Only Accelerometers

Background Quality of cardiopulmonary resuscitation (CPR) is key to increase survival from cardiac arrest. Providing chest compressions with adequate rate and depth is difficult even for well-trained rescuers. The use of real-time feedback devices is intended to contribute to enhance chest compression quality. These devices are typically based on the double integration of the acceleration to obtain the chest displacement during compressions. The integration process is inherently unstable and leads to important errors unless boundary conditions are applied for each compression cycle. Commercial solutions use additional reference signals to establish these conditions, requiring additional sensors. Our aim was to study the accuracy of three methods based solely on the acceleration signal to provide feedback on the compression rate and depth. Materials and Methods We simulated a CPR scenario with several volunteers grouped in couples providing chest compressions on a resuscitation manikin. Different target rates (80, 100, 120, and 140 compressions per minute) and a target depth of at least 50 mm were indicated. The manikin was equipped with a displacement sensor. The accelerometer was placed between the rescuer's hands and the manikin's chest. We designed three alternatives to direct integration based on different principles (linear filtering, analysis of velocity, and spectral analysis of acceleration). We evaluated their accuracy by comparing the estimated depth and rate with the values obtained from the reference displacement sensor. Results The median (IQR) percent error was 5.9% (2.8-10.3), 6.3% (2.9-11.3), and 2.5% (1.2-4.4) for depth and 1.7% (0.0-2.3), 0.0% (0.0-2.0), and 0.9% (0.4-1.6) for rate, respectively. Depth accuracy depended on the target rate (p < 0.001) and on the rescuer couple (p < 0.001) within each method. Conclusions Accurate feedback on chest compression depth and rate during CPR is possible using exclusively the chest acceleration signal. The algorithm based on spectral analysis showed the best performance. Despite these encouraging results, further research should be conducted to asses the performance of these algorithms with clinical data.