ANEXO 1 LAS SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. MIT-BIH ARRYTHMIA DATABASE

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1 ANEXO 1 LAS SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. MIT-BIH ARRYTHMIA DATABASE

2 ANEXO 1 LAS SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. A1.1.- LAS SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS Las señales electrocardiográficas son, desde hace décadas, un importante instrumento para el diagnóstico médico. Poseen una amplia gama de usos: Detección de anomalías congénitas cardiacas (latidos extras, saltos, ). Indicación de bloqueos coronarios articulares. Alteraciones electrolíticas de potasio. Diagnóstico de anormalidades conductivas. Observación de la condición física de un paciente durante un test de esfuerzo. Actualmente, existe una fuerte tendencia a la monitorización cardiaca de pacientes de riesgo de forma continua. Esto implica la necesidad de sistemas de procesamiento de los electrocardiogramas (ECG) que permitan su manejo, transmisión y almacenamiento eficiente, sin que esto suponga pérdida de información alguna. Para cubrir esta necesidad, han surgido numerosos estudios, como el contenido en este proyecto, para diseñar el algoritmo en cuestión. En este caso particular, se presta, además, especial atención a los factores que afectarán a la realizabilidad electrónica del sistema en un dispositivo real.

3 ANEXO 1.- LAS SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS. A continuación, se introducen algunos conceptos y características de las señales ECG que pueden resultar de utilidad a la hora de encarar su procesamiento. A Características del electrocardiograma normal: El electrocardiograma normal está formado por una onda P, un complejo QRS y una onda T. La onda P está causada por corrientes eléctricas generadas cuando las aurículas se despolarizan antes de la contracción. El complejo QRS está producido por corrientes nacidas cuando los ventrículos se despolarizan antes de contraerse, es decir, cuando la onda de despolarización se difunde por los ventrículos. Así pues, tanto la onda P como los componentes del complejo QRS son ondas de despolarización. La onda T está causada por corrientes nacidas cuando los ventrículos se recuperan del estado de despolarización conociéndosela como una onda de repolarización. Por tanto, el ECG está formado por dos tipos de ondas: repolarización y despolarización [40]. A Características temporales: Durante la despolarización y la repolarización aparecen las ondas constituyentes del ECG. Un ciclo del ECG de un sujeto sano está formado por la onda P, el complejo QRS, la onda T y la onda U, tal como se muestra en la Figura A1.1: Fig A1.1.- Ondas componentes y principales intervalos de la señal ECG.

4 Los intervalos temporales dentro de la señal correspondiente a cada latido tienen importancia para el diagnóstico. Así, el intervalo PR indica el tiempo de conducción aurículoventricular. El segmento ST expresa el tiempo entre el final de la despolarización ventricular (final de la onda S) y el inicio de la repolarización ventricular (inicio de la onda T). Además de estas medidas correspondientes a un latido, existen otras medidas relativas a latidos consecutivos, como son el ritmo cardiaco medido a través del intervalo RR. Apariciones de latidos que cambian bruscamente de morfología, como son los latidos ectópicos o contracciones ventriculares prematuras, son de gran interés y su detección y clasificación es un problema importante. En las siguientes tablas se representan los valores típicos de amplitud (voltaje) de las ondas y el tiempo de algunos intervalos: INTERVALO DURACIÓN ONDA AMPLITUD Intervalo PR s Onda P Onda Q Onda R Onda T Onda U 0.25 mv 25% onda R 1.60 mv mv 0.2mV Intervalo QT Intervalo ST Onda P Complejo QRS Intervalo RR s s s s s Tabla A1.1.- Amplitudes de las ondas ECG. Tabla A1.2.- Duraciones de las ondas ECG. Los elementos anteriormente descritos (amplitud de las ondas y duración de los intervalos) constituyen las características más significativas del ECG normal. A Características frecuenciales: El ancho de banda empleado en la adquisición de la señal ECG está comprendido entre 0 y 100 Hz para los registros de ECG convencional. En la siguiente figura se muestra el espectro relativo de la señal de ECG, los complejos QRS, ondas P y T y otros ruidos, basado en un estudio desarrollado por Thakor 1983 [41]. Sin embargo, el ancho de banda de las componentes significativas es sensiblemente menor a los 100 Hz (entre 0.05 y 40 Hz) como puede apreciarse en la figura. En la práctica clínica habitual, la frecuencia de muestreo de los sistemas de adquisición suele ser superior a los 200 Hz, con lo que existirá redundancia de información debido al sobremuestreo recomendado por la asociación cardiológica AHA (American Heart Association).

5 A continuación se muestra una representación del espectro de diferentes componentes de la señal ECG: el complejo QRS, as ondas P y T, ruido, Fig A1.2.- Espectro de potencia relativa del complejo QRS, ondas P y T y distintas componentes de ruido [48]. A1.2.- BASES DE DATOS DE SEÑALES ELECTROCARDIOGRÁFICAS Para poder llevar a cabo la validación del diseño del algoritmo de tratamiento de electrocardiogramas será necesario poder realizar ensayos con señales ECG reales, de manera que los resultados obtenidos sean extrapolables al funcionamiento real del sistema. Por tanto, será necesaria una fuente fidedigna de señales electrocardiográficas. Las características exigibles a estas bases de datos son: Señales representativas: para llevar a cabo tests de analizadores de señales electrocardiográficas, es necesario disponer de un gran conjunto de señales reales. Señales raramente observadas pero clínicamente significativas: aunque no es difícil obtener registros de electrocardiogramas correspondientes a ciertas anomalías, a menudo aquellos más significativos son raramente registrados. Señales estándar: es decir, señales utilizadas por un amplio sector de la comunidad científica relacionada con el tratamiento de señales electrocardiográficas. No tiene sentido llevar a cabo comparaciones entre distintos algoritmos o sistemas si éstos no

6 han sido aplicados al mismo conjunto de datos, ya que los resultados que se obtienen dependen en muchas ocasiones del conjunto de datos empleado. Señales con anotaciones: Normalmente, cada complejo QRS, ha sido manualmente anotado por dos o más cardiólogos, trabajando de forma independiente. Estas anotaciones sirven de referencia para comparar los resultados producidos por cierto método automático de procesamiento, y los producidos según el estándar de los cardiólogos. Señales discretas accesibles a programas informáticos: De esta forma, es posible llevar a cabo un test completamente automático y reproducible, permitiendo comparar resultados frente a modificaciones en los algoritmos. Los parámetros de las señales: como fs (frecuencia de muestreo), ganancia (amplitud), etc, deberán ser conocidos. Actualmente, están disponibles las siguientes bases de datos de señales electrocardiográficas [42]: 1) AHA DB: The American Heart Association Database for Evaluation of Ventricular Arrhythmia Detectors (80 registros, de 35 minutos cada uno). 2) MIT DB: The Massachusetts Institute of Technology-Beth Israel Hospital Arrhythmia Database (48 registros, de 30 minutos cada uno). 3) ESC DB: The European Society of Cardiology ST-T Database (90 registros, de dos horas cada uno). 4) NST DB: The Noise Stress Test Database (12 registros, de 30 minutos cada uno). 5) CU DB: The Creighton University Sustained Ventricular Arrhythmia Database (35 registros, de 8 minutos cada uno). Sin embargo, a través del MIT (Massachussets Institute of Technology) se tiene acceso a registros de otras bases de datos, con lo cual todas las señales a utilizar se pueden obtener de la misma fuente. Con el paso del tiempo se han ido añadiendo registros pertenecientes a otras patologías, y de mayor duración, llegando incluso a registros de hasta 24h. Así, a través del MIT se tiene acceso a las siguientes bases de datos [7]: MIT-BIH Arrhythmia Database. Creighton University Ventricular Tachyarrhythmia Database. MIT-BIH Noise Stress Test Database. MIT-BIH ST Change Database.

7 MIT-BIH Malignant Ventricular Arrhythmia Database. MIT-BIH Atrial Fibrillation/Flutter Database. MIT-BIH ECG Compression Test Database. MIT-BIH Supraventricular Arrhythmia Database. MIT-BIH Long-Term Database. MIT-BIH Normal Sinus Rhythm Database. De esta manera, utilizando la base de datos del MIT se dispone de un conjunto de señales suficientemente amplio para llevar a cabo pruebas muy representativas, además de contar con un formato de datos abierto y común a todas ellas, lo que reduce considerablemente el esfuerzo de desarrollo de aplicaciones. A MIT-BIH Arrhythmia Database Una de las bases de datos más utilizadas para este tipo de simulaciones es la MIT-BIH Arrhythmia Database, que consta de 23 registros ( ), escogidos de entre 4000 muestras Holter recogidas en el Beth Israel Hospital Arrhythmia Laboratory, y 25 registros ( ) que contienen anomalías y fenómenos de interés desde el punto de vista diagnóstico. Cada uno de los registros contiene la información obtenida mediante dos derivaciones distintas, según cada caso particular, de 30 minutos de duración. Cada registro digitalizado, con una frecuencia de muestreo de 360Hz, contiene muestras, codificadas en 11 bits [8]. Como ya se ha avanzado, En este formato cada secuencia de grabación de datos de forma ininterrumpida constituye lo que se denomina un registro. Un registro consta de al menos los siguientes elementos [44]: Un fichero de cabecera en el que se describe la fecha y hora del registro, su nombre, la lista de señales y sus características (frecuencia de adquisición, bits por muestra, etc.). Uno o más ficheros de datos en los que se almacenan propiamente las señales según el formato especificado en el fichero de cabecera. Uno o más ficheros de anotaciones en los que está indicada la posición exacta de cada evento clínicamente significativo sobre la señal (por ejemplo, taquicardia ventricular, comienzo de episodio isquémico, etc).

8 El primer grupo de registros está compuesto por señales con gran variedad de morfologías y artefactos presentes en la práctica clínica habitual. El segundo grupo fue seleccionado para incluir arritmias y anomalías poco frecuentes, pero de gran interés clínico, que no se habrían podido recoger con un conjunto aleatorio de electrocardiogramas. Se ha escogido esta base de datos de entre todas las disponibles por su difusión en artículos de investigación y herramientas matemáticas referidas a su uso [7]. Además, contiene anotaciones e indicaciones de especialistas en cardiología, muy útiles de cara a la interpretación de los resultados. Estos registros están a disposición de todo aquel que quiera emplearlos en sus estudios [7]; así mismo, también se puede acceder a información completa acerca de su captación, digitalización, etc [8]. A Selección de electrocardiogramas para el estudio: Las simulaciones se realizarán tomando una serie de electrocardiogramas seleccionados como entrada al sistema. A partir de algunos estudios [9,10], se determina que las señales más adecuadas que recogen suficiente variedad de fenómenos clínicos son: 104, 107, 201, 207, 208, 209, 212, 213 y 214. Como señal de referencia inicial se considera la señal 201; esta elección se justifica por presentar esta señal un comportamiento bastante regular en la mayor parte de su extensión, pero, al mismo tiempo, presentar variaciones en algunos tramos que serán útiles para evaluar los diferentes métodos bajo circunstancias anómalas. A continuación se muestra un cuadro resumen de las características principales de los electros sobre los que se ha realizado el estudio:

9 BASE DE DATOS REGISTRO DERIVACIÓN EDAD SEXO MEDICACIÓN(*) PATOLOGÍA MIT-BIH Arrhythmia Database 104_1 V5 Latidos rítmicos. Ritmo sinusal fundamental 104_2 V2 66 Mujer Digoxin, Pronestyl Latidos rítmicos. Ritmo sinusal fundamental 107_1 MLII Contracción ventricular prematura 107_2 V1 63 Hombre Digoxin Contracción ventricular prematura 201_1 MLII Digoxin,Inderal,KCl, Latido de fuga nodal 201_2 V1 68 Hombre Hydrochlorthiazide Bloqueo aurícula-ventricular 207_1 MLII Bloqueo rama izquierda. 89 Mujer Digoxin, Quinaglute Ruido 207_2 V1 Fluter auricular 208_1 MLII Fusión latido normal- contracción ventricular 23 Mujer Sin medicación prematura 208_2 V1 Artefacto qrs aislado 209_1 MLII Aldomet, Inderal, Contracción atrial prematura 209_2 V1 62 Hombre Hydrodiuril Contracción atrial prematura. Ruido 212_1 MLII Bloqueo rama derecha 212_2 V1 32 Mujer Sin medicación Bloqueo rama derecha 213_1 MLII Fusión latido normal y ventricular 213_2 V1 61 Hombre Digoxin Contracción ventricular prematura 214_1 MLII Bloqueo rama izquierda 214_2 V1 53 Hombre Digoxin, Dilantin Artefacto qrs aislado (*) La medicación aparece con su denominación en inglés. Tabla A1.3.- Tabla resumen de características de las señales seleccionadas de la base de datos MIT-BIH[7]

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