ANALICE DE SEÑALES DEL ELECTROCARDIOGRAMA DE ESFORZO EMPLEANDO REDES NEURONALES

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1 ANALICE DE SEÑALES DEL ELECTROCARDIOGRAMA DE ESFORZO EMPLEANDO REDES NEURONALES J.C.C. Rojas 1, L.M. Brasil 1, F.M. de Azevedo 2, M.T.B. Filho 3, L.C. Carvalho 4, A.E.M. de Almeida 5 1 Laboratorio de Informática Médica (LABIS) 3 Laboratorio de Ingeniaría Clínica (LABEC) 4 Laboratorio de Procesamiento de Señales y Instrumentación Biomédica (LPSB-IB) Núcleo de Estudios y Tecnología en Ingeniaría Biomédica (NETEB) Universidad Federal de Paraíba (UFPB) Campus I - Postal 5095 Cep: , Tel: , Fax: João Pessoa, Brasil 2 Departamento de Ingeniaría Eléctrica, Laboratorio de Ingeniaría Biomédica (GPEB) Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC) Cep: , Tel: Florianópolis, Brasil 5 Cardio Lógica Métodos Diagnósticos LTDA Av: Rui Barbosa, 143, Torre Cep: , Tel: Joao Pessoa, Brasil (jccr, lmb, toscano)@neteb.ufpb.br, azevedo@gpeb.ufsc.br, lcar1@uol.com.br, aema@openline.com.br RESUMEN El sistema propuesto en este trabajo sugiere la implementación de un sistema experto basado en redes neuronales para el apoyo en la decisión de una reunión clínico-quirúrgica en la área de cardiología. Hacen parte de esa reunión el cardiólogo, el hemodinamicista y el cirujano del paciente. El cardiólogo es responsable por el acompañamiento médico del paciente, el hemodinamicista por los exámenes realizados sobre el paciente y el cirujano por las informaciones sobre la viabilidad técnica de la conducta escogida por la equipe como siendo la más apropiada para el paciente. El proceso de implementación del sistema inicia-se con la Adquisición del Conocimiento (AC), que es proveniente de una serie de parámetros clínicos y de la analice de señales biológicos. En los servicios de cardiología, la señal biológico empleado es el Electrocardiograma (ECG) que es un potencial eléctrico resultante medido sobre la superficie del cuerpo humano, sendo relacionado a las contracciones rítmicas do corazón. Cuando enfermedades cardíacas o deficiencias están presentes, la morfología de la forma de onda del ECG puede ser substancialmente transformada. Todavía, el intervalo de tiempo entre las ondas tienen sido frecuentemente empleados como parámetro en procedimientos de diagnóstico. La señal biológico empleado en este trabajo es lograda a través del ECG de esforzó. El ECG de esforzó también denominado teste de esforzó es un examen realizado para la avaluación clínica y analice de las posibles alteraciones del ECG durante el esforzó físico (por ejemplo, la caminada en estera programada por computadora, con posible ampliación progresivo del esforzó por etapas). La señal del ECG es de considerable valía para el diagnóstico de cardiopatías coronarias. Los datos biológicos digitalizados que alimentaran el sistema serán obtenidos a través de un acuerdo con una clínica médica particular de la ciudad de Joao Pessoa, Paraíba, Brasil, que fornecerá la señal del ECG de esforzó. Esos datos serán analizados visando determinar un ciclo PQRST, a partir del cual serán efectuadas las

2 medidas de los parámetros de interese, buscando obtener alguna información importante de la posibilidad de una obstrucción coronarían. El algoritmo de aprendizaje e optimización del sistema será el Genetic-Backpropagation Based Learning GENBACK, que es fundamentado en el algoritmo clásico de back-propagación proyectado por D.E. Rumelhart e que también utiliza técnicas de la computación evolucionaría, con uso de algoritmos genéticos. Ese algoritmo puede, durante el proceso de aprendizaje, modificar el peso de las conexiones e modificar la estructura de la rede. Las inferencias, o sea, las salidas del sistema podrán ser la escoja por una conducta clínica, por una conducta quirúrgica o por un tratamiento intervensionista. La conducta clínica sustenta que el paciente continué usando apenas la medicación prescrita por el cardiólogo. La conducta quirúrgica sustenta que el paciente necesita de una cirugía de revascularizarción miocárdica. El tratamiento intervensionista sustenta que el paciente puede necesitar de una angioplastia coronaria con o sien implantación de protese (stent coronario). DOMINIO MÉDICO La enfermedad coronarían es el resultado de la formación de placas de aterosclerose, que son placas de tejido fibroso y colesterol, que crecen e se acumulan en la pared de los vasos a punto de dificultar o mismo impedir el pasaje de la sangre. Esa enfermedad es un proceso inflamatorio progresivo, de etiología multifactorial, que se inicia habitualmente en la infancia y produce manifestaciones clínicas cuando adulto. Cuando se entupe la arteria, debido a la aterosclerose, por más de 50 a 70% do su diámetro, el flujo sanguíneo se torna insuficiente para nutrir la porción del corazón irrigada por aquella arteria enferma, especialmente cuando la necesidad de oxigeno es mayor, como ocurre durante el ejercicio físico. La irrigación inadecuada de una determinada región se denomina isquemia. La isquemia se prolongada, puede provocar la muerte del tejido y ese fenómeno se denomina infarto. Cuando eso ocurre en los tejidos del corazón, los termos utilizados son isquemia miocárdica y infarto del miocárdio. Ambas las situaciones son percibidas por el paciente en la mayoría de las veces como un dolor en el pecho [1]. Habitualmente el infarto del miocárdio ocurre cuando un coágulo sanguíneo se forma sobre una placa aterosclerótica y la obstruí súbita y completamente. Algunas veces, una "tira" de sangre todavía pasa, dejando el corazón isquemico, haciendo con que el paciente sienta dolor mismo estando en reposo, mas permitiendo que el músculo cardíaco sobreviva. Esta situación se denomina "angina instable", pudiendo el infarto del miocárdio se instalar a cualquier instante [1]. En los últimos años, en Brasil, se observo decrecimos de la mortalidad por enfermedades infecciosas y concomitante crecimiento de las enfermedades crónico-degenerativas, entre ellas las enfermedades cardiovasculares. En 1930, las enfermedades cardiovasculares eran responsables por 11,8% del total de óbitos, 30% de las muertes en 1980, y en 1988, esta cuantía aumentó para 34% del total de óbitos de la populación brasileña. Actualmente las enfermedades cardíacas corresponden a la primera causa de muerte del país, matando aproximadamente 800 personas por día [2]. Debido al elevado costo del tratamiento de las coronariopatias, el diagnóstico precose y los investimientos en medidas preventivas tienen sé tornado prioridad.

3 En tanto, la rutina de los consultorios y servicios de cardiología revelan una incidencia mucho elevada de pacientes con señales y síntomas de Enfermedad Arterial Coronarían (EAC), diagnóstico que se llega o refuta a partir de una secuencia de pasos que se inician con una buena coleta de la historia clínica y una serie de exámenes. En este trabajo se propone la simulación del proceso de una reunión clínico-quirúrgica para definición de conducta terapéutica en pacientes coronariopatas. El proceso envuelve varios parámetros clínicos y la analice de la señal biológico del ECG de esfuerzo. La función del ECG es registrar la actividad eléctrica del corazón, pudiendo fornecer varias informaciones, inclusive sobre la presencia de sufrimiento del corazón por isquemia. Todavía, el paciente puede tener obstrucción arterial por enfermedad coronarían y exhibir un ECG normal, visto que en reposo, la obstrucción o obstrucciones existentes permiten el pasaje de una cuantidad suficiente de sangre para irrigar el músculo que no esta siendo exigido por un esfuerzo mayor. El teste de esfuerzo es una forma de tentar compensar esa deficiencia del ECG de reposo. Este examen, cuando aplicado en individuos con alguna probabilidad de presentar la enfermedad, consigue diagnostica-la en 60 a 70% de los casos [3]. Los parámetros clínicos posibles de ser considerados por el sistema son basados en el mismo principio de sobrecargar el corazón, como por ejemplo, la cintilografía miocárdica o el ecocardiograma bajo stress. En esos casos se obtienen imágenes representativas del estado de irrigación del músculo cardíaco avaluado a una sobrecarga. Esos métodos son mas apurados que el teste ergometrico común para diagnosticar la enfermedad, mas son también más caros y deben ser utilizados en casos seleccionados. Otro parámetro clínico a ser considerado, se refiere al cateterismo cardíaco con cinecoronariografia que implica en introducir un pequeño tubo flexible a través de un vaso sanguíneo o conducto, a fin de permitir inyección de substancias o contraste radiológico o entonces medir presiones dentro de vasos o cavidades. El tubo, llamado de "catéter" es introducido, a través del brazo o virilla, avanzando hasta el corazón y arterias coronarias, donde son hechas inyecciones de contraste radiológico. De esa manera es posible visualizar, a través de rayos-x, las arterias y localizar con precisión la forma, la extensión y la gravedad de las obstrucciones encontradas. Ese método, en la mayoría de las veces, no es capaz de, por si solo, definir la conducta a ser tomada en relación al paciente, siendo para eso necesaria una buena avaluación clínica y frecuentemente, un teste "provocativo" (esfuerzo, cintilografia, etc) [3]. RESPUESTA ELECTROCARDIOGRÁFICAS FRENTE AL ESFUERZO Comprende las modificaciones morfológicas fisiológicas e anormales de las deflexiones electrocardiográficas durante el desenrollar del teste de esfuerzo. Las respuestas normales esperadas poseen las siguientes características (Figura 1): Onda S - aumenta de amplitud a medida que la onda R diminuí; Ponto J - presenta infradesnivelamento progresivo hasta el esfuerzo máximo, presente también en el período de recuperación inmediato; Segmento ST - habitualmente ocurre infradesnivelamento ascendente y progresivo hasta el esfuerzo máximo, a partir do punto J, mas con rápido retorno a la línea de base;

4 Onda T - de morfología variable, aumentando mas comúnmente de amplitud en niveles máximos de frecuencia cardiaca y en el período de recuperación inmediato; Figura 1. Modificaciones electrocardiográficas normales durante el ejercicio [4] Las posibles respuestas anormales esperadas poseen las siguientes características (Figura 2): Onda R - muchos factores afectan la amplitud de la onda R en el esfuerzo y la respuesta no tiene relevancia diagnóstica [5]; Onda S - sin valor específico para el diagnóstico de isquemia durante el ejercicio; Segmento ST - los deslocamientos negativos y positivos, visibilizados por el observador con relación a la línea de base del ECG, son las manifestaciones más frecuentes relacionadas a la isquemia del miocárdio. Figura 2. Modificaciones electrocardiográficas anormales más frecuentes durante el ejercicio (A) respuesta normal del segmento ST, con rápido retorno a la línea de base; (B) infradesnivel ascendente de ST; (C) infradesnivel horizontal de ST; (D) infradesnivelamento descendente de ST, medido a partir del punto J; (E) supradesnivelamento de ST [4] El infradesnivelamento es la más común de las manifestaciones de isquemia inducida por el ejercicio, se presentando morfológicamente bajo tres formas: horizontal, descendente y ascendente lento. Su cuantificación ha sido definida de varias maneras, encontrando valores discriminantes diferentes para las populaciones estudiadas. Entretanto, basado en las normalizaciones del II Consenso Nacional de Ergometria [4] adoptamos los siguientes criterios para la analice de anormalidad del segmento ST como respuesta indicativa de isquemia miocárdica: horizontal = 1 mm o más, medido en la origen del segmento ST y con una duración 80 ms;

5 descendente = 1 mm o más, medido en la origen del segmento ST; ascendente lento = 1,5 mm o más medido en el punto Y (80 ms después del punto J ). El infradesnivel de aspecto descendente del segmento ST indica mayores especificidad y gravedad que el horizontal y ambos, por su vez, de mayor repercusión que el segmento ST ascendente lento. El supradesnivelamento es cuantificado como respuesta anormal siendo caracterizado por el desvío positivo de 1mm (medido al nivel de la junción J/ST) en relación con la línea de base imaginaría que une la junción PQ de, en el mínimo, dos complexos QRS sucesivos. Presenta implicaciones totalmente diferentes de acuerdo al modo y local de ocurrencia [4]. Consideramos en este trabajo, algunos factores relacionados a las alteraciones del segmento ST, como elementos indicativos de mayor gravedad de la EAC: cuanto más precose el tiempo de aparecimiento de las alteraciones y menor carga del trabajo ejecutada; cuanto mayor la persistencia de duración de las alteraciones en el período de recuperación del teste ergometrico; cuanto mayor la magnitud de intensidad de la alteración; cuanto mayor el número de derivaciones en el ECG acometidas. Serán excluidas situaciones clínicas que puedan inducir alteraciones en el ECG mas no relacionadas a la isquemia miocárdica por EAC obstructiva. Ejemplos: sobrecarga ventricular izquierda, síndrome de Wolff- Parkinson-White y sus variantes, prolapso de la valva mitral, bloqueo completo del ramo izquierdo y uso de determinados medicamentos. METODOLOGÍA DE DESENVOLVIMIENTO El sistema a ser tratado en este trabajo envuelve los paradigmas simbólico y conexionista de manera híbrida, o sea, se extrae las reglas que fueren posibles del especialista sin forzar-lo a un trabajo arduo, y una serie de ejemplos de casos reales o hipotéticos pertenecientes al dominio del problema. Durante el proceso de Elicitación del Conocimiento (EC) se obtienen algunas reglas iniciales del especialista de dominio. Presume-se que esas reglas iniciales correspondan al conocimiento mínimo del especialista. De esa forma, cuando proyectadas en una Rede Neuronal Artificial (RNA), el conocimiento contenido en esas reglas estaría embutido en sus conexiones, de manera a representa-lo como el mínimo conocimiento extraído del especialista para una dada solución de un problema, justamente para que la RNA no pierda la capacidad de generalización, mismo porque seria prácticamente inviable proyectar todo el conocimiento del especialista a través de reglas [6][7]. Esas reglas contienen informaciones a respecto de parámetros clínicos de pacientes y datos biológicos digitalizados que serán obtenidos a través de la utilización del ECG de esfuerzo juntamente con el software Ecafix Cardio Perfect ST2001 [8. El modelo propuesto para tratar las imprecisiones asociadas a los procesos cognitivos humanos es auxiliado por el modelo de raciocinio fuzzy, los cuales utilizan la lógica fuzzy. De esa forma las reglas iniciales fuzzy son traducidas en grafos E/OU, los cuales definen la estructura inicial de la RNA. En otras palabras, un grafo E/OU indica el número de neuronas de las camadas de entrada, intermediaria e salida. Los grafos E/OU fornecen la topología de la rede de forma que se sepa la cuantidad de neuronas necesarias en las camadas de la rede, bien como las ligaciones entre las neuronas. Además, a través de esos grafos, la camada intermediaria es definida por los nodos E, en cuanto que la camada de salida por los nodos OU. De esa

6 forma, los operadores lógicos E/OU son incorporados en local de la suma de pesos en las neuronas de la rede [6][7]. En la próxima etapa, el algoritmo de aprendizaje y optimización, GENBACK [6][7], utiliza un primer conjunto de ejemplos a fin de instruir la RNA, de manera a modificar no solamente el peso de cada conexión, mas también la estructura de la rede. En ultimo caso, las conexiones son incluidas o excluidas entre las neuronas, bien como las neuronas pueden ser incluidos o excluidos de la camada intermediaria por la aplicación del algoritmo genético. Un segundo conjunto de ejemplos será utilizado para refinar la rede instruida con los ejemplos iniciales. Como el sistema propuesto hace uso de un proceso de optimización para la RNA, con respecto al número de neuronas en la camada intermediaria, no se puede obtener una RNA final con un número de neuronas en la camada intermediaria con un valor menor que de la inicial. Eso significaría que la RNA final estaría perdiendo informaciones extraídas del especialista a través de las reglas iniciales [6][7]. En una primer etapa de desenvolvimiento será hecho un estudio retrospectivo del dominio del problema, o sea, los parámetros clínicos y los datos biológicos digitalizados del ECG de esfuerzo que alimentarán el sistema serán obtenidos a través de la analice de casos reales estudiados para una populación previamente seleccionada, en el caso, los pacientes coronariopatas. El objetivo principal que se espera alcanzar con el sistema es auxiliar el proceso de decisión de una equipe clínico-quirúrgica pudiendo al final del procesamiento, inferir por una conducta clínica, una conducta quirúrgica o un tratamiento intervencionista para el paciente [9]. CONSIDERACIONES FINALES Los mayores beneficiados con la implementación del sistema serán los propios especialistas de dominio. En una primer instancia, el sistema seria validado y testado en la clínica Cardio Lógica Métodos Diagnósticos LTDA situada en la ciudad de Joao Pessoa, Paraíba, Brasil, para posterior implantación en algún otro centro de apoyo a la medicina como por ejemplo, el Hospital Universitario Lauro Wanderley situado en esa misma ciudad. En ese sentido el sistema puede contribuir en algunas tareas como en la optimización del tiempo de consulta, en el re-direccionamiento de un paciente con una patología específica para un centro de atendimiento médico más capacitado, en el auxilio a la selección del atendimiento al paciente en locales que no haya especialistas médicos de áreas específicas del dominio médico, entre otras. AGRADECIMIENTOS Declaramos agradecimientos a las siguientes instituciones: al curso de maestría en Ingeniaría Biomédica (MEB) de la Universidad Federal de Paraíba (UFPB); el primer autor agradece a la Coordinación de aperfeccionamiento de Personales de Nivel Superior (CAPES) por el auxilio financiero para el desenvolvimiento de la pesquisa; el segundo autor agradece al Consejo Nacional de Desenvolvimiento Científico y Tecnológico (CNPq) por el auxilio financiero para el desenvolvimiento de la pesquisa del programa Protem-CC (Kit reciéndoctor).

7 REFERENCIAS [1] SBC / RJ - Sociedade de Cardiologia do Rio de Janeiro. Como se desenvolve a doença coronariana?. Prevenção. Informações de saúde. [on-line] Data [2] O Estado de São Paulo. Doenças do coração mata 800 brasileiros por dia. Seção: Geral. Data: [3] SBC / RJ - Sociedade de Cardiologia do Rio de Janeiro. Quais os exames úteis para diagnosticar a doença coronariana?. Prevenção. Informações de saúde. [on-line] Data [4] SBC / RJ - Sociedade de Cardiologia do Rio de Janeiro. Respostas clínicas e eletrocardiográficas frente ao esforço. Consenso nacional de ergometria. [on-line] Ano [5] Gibbons et al. Exercise Testing Guidelines. J Am Coll Cardiol, 1997; 30 (1): [6] L.M. Brasil. Proposta de Arquitetura para Sistema Especialista Híbrido e a Correspondente Metodologia de Aquisição do Conhecimento. Tese de Doutorado, Universidade Federal de Santa Catarina, UFSC, Brasil, [7] F.M. de Azevedo, L.M. Brasil, R.C.O. Limão. Redes Neurais com Aplicações em Controle e em Sistemas Especialistas. ISBN , Bookstore Livraria Ltda. Florianópolis, Brasil, [8] Ecafix. Cardio Perfect 4.1 Stress Test ST2001. Manual do Usuário. [9] J.C.C. Rojas, L.M. Brasil, F.M. de Azevedo, M.T.B. Filho, and L.C. Carvalho. Hybrid expert system to help in the decision of the diagnostic definition in patients with coronary artery disease. In.: Proceedings of the VI Iber-American Symposium on Pattern Recognition, Santa Catarina, Brazil, October, 2001 (In Press).