BIOINSTRUMENTACIÓN II. ECG de Alta Resolución. Dr. Eric Laciar Leber

Transcripción

1 BIOISTRUMETACIÓ II ECG de Alta Resolución Dr. Eric Laciar Leber Gabinete de Tecnología Médica Universidad acional de San Juan Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 2 1

2 3 ECG de Alta Resolución ECG de Alta Fidelidad ECG de Señal Promediada Definición Técnica electrocardiográfica orientada a la detección de micropotenciales cardíacos Micropotenciales cardíacos Potenciales de His - Purkinje Potenciales Tardíos Auriculares Potenciales Anormales Intra-QRS Potenciales Tardíos Ventriculares Características Muy baja Amplitud (entre 1 y 25 µv) Alta Frecuencia (entre 25 y 25 Hz) Enmascarados por el ruido o pueden registrarse con ECG convencional 4 2

3 Potenciales Tardíos Ventriculares (PTV) Señales de baja amplitud (pocos µv) y alta frecuencia (hasta 25 Hz) Localizados al final del complejo QRS e inicio del segmento ST.3 Amplitud (mv).2.1 PTV PTV Tiempo (ms) Asociados con: - Riesgo de arritmias ventriculares malignas en pacientes post-infarto de miocardio - Existencia de daño miocárdico severo en pacientes chagásicos crónicos 5 Génesis de los micropotenciales Conducción lentificada en zonas isquémicas que bordean a las zonas necróticas Activación cardíaca fragmentada y tardía observable en electrogramas epicárdicos En ECGAR, se refleja en potenciales de baja amplitud y alta frecuencia localizados al final del QRS e inicio del ST Electrogramas epicárdico os ECGAR Potenciales Tardíos Ventriculares 6 3

4 - El registro de los PTV requiere una instrumentación adecuada. - Documentos estándares: 1991 European Society of Cardiology, American Heart Association and American College of Cardiology 1996 American College of Cardiology 1999 Association for the Advancement of Medical Intrumentation - Sistema típico de adquisición de registros ECGAR 7 ADQUISICIÓ - Derivaciones ortogonales bipolares XYZ - Electrodos autoadhesivos de Ag - AgCl - Duración: 5 2 min. AMPLIFICACIÓ Y FILTRADO Especificación Valores Ganancia 1-1 Ancho de banda (mínimo).5 25 Hz Relación de rechazo de modo común > 12 db Separación de interferencia intercanal > 1 db Protección contra desfibrilación o Rango de linealidad > 2.5 mv COVERSIÓ AALÓGICA - DIGITAL - Frec. muestreo 1 KHz - Resolución conv. A/D 12 bits 8 4

5 Análisis comparativo ECG convencional vs ECG Alta Resolución Características ECG Convencional ECG AltaResolución Tipo de Registro Papel o Digital DIgital Ancho de Banda.5 1 Hz.5 25 Hz Frec. de Muestreo 25 Hz (típica) 1 Hz Conversor A/D 8 bits 12 bits Derivaciones 12 Derivaciones Estándar (I, II, III, avr, avl, avf, 3 Derivaciones Ortogonales V1, V2, V3, V4, V5, V6) (X, Y, Z) Modo de Adquisición Multiplexada Simultánea Duración registro Pocos seg. por derivación 5 a 2 min Registro ECGAR Mejor resolución en tiempo, frec. y amplitud ECG de Alta Fidelidad 9 Registro continuo ECGAR Amplitud (mv) Tiempo (seg) El principal problema de la ECGAR es que los PTV se encuentran enmascarados por el ruido. Para mejorar la RSR de los PTV se usa la técnica de Filtrado por Promediación. ECG de Señal Promediada 1 5

6 ud (mv) Amplit Detección de ciclos cardiacos Tiempo (seg) Alineamiento Promediado Amplitud (mv) Tiempo (ms) Amplitud (mv) Tiempo (ms) 11 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 12 6

7 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 13 Detección de ciclos cardíacos La detección de los ciclos cardíacos se realiza habitualmente con detectores de complejos QRS Razones: - El complejo QRS es el conjunto de ondas con mayor RSR de la señal ECG - El complejo QRS tienen componentes de mayor frecuencia que las ondas P y T 14 7

8 Detección de ciclos cardíacos En los sistemas ECGAR, el detector de QRS cumple dos funciones: 1) Identificar cada ciclo cardíaco 2) Proveer un punto de referencia inicial para la etapa de alineamiento Esquema general de un detector de QRS por software: 15 Detección de ciclos cardíacos El detector de QRS más usado está basado en el propuesto por Pan y Tompkins - Alta sensibilidad y valor predictivo positivo - Sencillez de implementación - Robustez al ruido Criterios de reconocimiento de complejos QRS: - Ancho de banda - Pendiente - Amplitud - Duración Algoritmo original (1985) Detección en tiempo real de complejos QRS en registros Holter (f m = 2 Hz) Deben realizarse modificaciones para su implementación por software 16 8

9 Detección de ciclos cardíacos Registro ECGAR Butterworth, =2, f ci =7 y f cs =25Hz x(n) Filtrado pasabanda x(n) Longitud M=24 puntos para fm=1khz y(n) Derivador y(n) d(n) d(n) c(n)=[d(n)] 2 Valor cuadrático c(n) c(n) Longitud =1 ms Filtro de media móvil m(n) m(n) Basado en umbrales Bloque de decisión q(i) q(i) Marcas QRS Detección de ciclos cardíacos Registro de sujeto normal Registro de pac. chagásico con IVP Registro con variaciones línea de base 2 2 ECGAR ECGAR ECGAR marca QRS marca QRS marca QRS Amplitud (mv V) Amplitud (mv V) Amplitud (mv V) Tiempo (s) Tiempo (s) Tiempo (s) Registro con interferencia de línea 1.4 ECGAR marca QRS Registro con ruido EMG ECGAR marca QRS Registro con ruido blanco ECGAR marca QRS Amplitud (mv) Amplitud (mv) Amplitud (mv) Tiempo (s) Tiempo (s) Tiempo (s)

10 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 19 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 2 1

11 Alineamiento de latidos El proceso de promediado requiere que los latidos a promediar se encuentren perfectamente alineados en el tiempo. Los errores de alineamiento producen un efecto de filtrado pasabajos en la señal promediada. 21 Alineamiento de latidos Si los errores de alineamiento tienen distribución gaussiana f c 1/2 ln = Desv. est. de la secuencia de errores de alineamiento Por ej: =.5 ms =1 ms =2 ms f c =265 Hz f c = Hz f c =66Hz Fuerte atenuación de los PTV 22 11

12 Alineamiento de latidos El método de correlación cruzada temporal es la técnica de alineamiento más usada en registros ECGAR Cada latido detectado t d es comparado con un latido patrón en una ventana temporal que incluya la parte más rápida del complejo QRS Selección del latido patrón 1 - Latido individual de bajo ruido extraído del registro 2 - Versión preliminar del latido promedio Alineamiento del latido detectado con el patrón Función de correlación cruzada normalizada xk [ ] yk [ l] x[k] = latido plantilla k1 xy[] l y[k] = latido detectado 2 2 l = retardo temporal x [ k] y [ k] = Longitud de la ventana (2ms) k1 k1 23 Alineamiento de latidos Punto fiducial o de sincronismo = posición del máx(ρ xy ) 24 12

13 Alineamiento de latidos El valor de máx(ρ xy ) se utiliza para descartar latidos ectópicos o excesivamente ruidosos Según el documento estándar de ESC, AHA y ACC, solo deben aceptarse latidos si máx(ρ xy ) >.98 Todos los latidos con máx(ρ xy ) <.98 deben ser eliminados 25 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 26 13

14 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 27 Promediado de latidos Modelo: Para cada latido i x i (n) = s i (n) + r i (n) i=1,..., donde: s i (n) = componente determinística cardíaca r i (n) = componente de ruido aditivo = número de latidos a promediar Hipótesis sobre la señal y el ruido 1- La componente de señal debe ser repetitiva (no necesariamente periódica). 2- El ruido debe ser un p.a. estacionario, de valor medio nulo e incorrelado con la señal y consigo mismo (ruido blanco). 3- Debe conocerse exactamente la posición temporal de las señales a promediar

15 Promediado de latidos 29 Promediado de latidos Señal promediada con latidos: x( n) 1 i1 x i ( n) x( n) 1 i1 s ( n) i 1 i1 r ( n) i Dado que s 1 (n)=...=s (n)=s(n) x( n) s( n) 1 i1 r i ( n) La señal promediada x(n) constituye un estimador de la componente determinista s(n) 3 15

16 a) Valor medio Promediado de latidos Calidad del estimador (media y varianza): r Var x( n) E x( n) s( n) b) Varianza 2 El valor medio del estimador coincide con la señal a detectar La varianza del estimador disminuye con el número de realizaciones Estimador no sesgado Estimador consistente ivel de ruido post-promediado y Relación Señal a Ruido nr x nri RSR x RSR i 31 Promediado de latidos El proceso de promediado: - conserva la señal de interés - disminuye la potencia de ruido por un factor de - disminuye el nivel RMS de ruido post-promediado por un factor igual a - aumenta la relación señal a ruido por un factor igual a 32 16

17 Promediado de latidos 33 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 34 17

18 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 35 Análisis temporal de los PTV Registro continuo ECGAR Amplitud (m mv) X Y Z Tiempo (seg) Amplitud (mv) 4 2 Señales Promediadas XYZ Algoritmos X Y -2 Z Tiempo (ms) Detección de QRS Alineamiento Promediado 36 18

19 Análisis temporal de los PTV Amplitud (m mv) Señales Promediadas XYZ Tiempo (ms) X Y Z Filtro Butterworth Bidireccional 4 orden 4-25 Hz Amplitud (m mv) Señales Filtradas XYZ.4 X f Y f Z f Tiempo (ms) Amplitud (mv) Vector Magnitud Temporal Vector Magnitud Temporal PTV VMT X Y Z Tiempo (ms) 37 f f f Análisis temporal de los PTV Estimación del punto inicial y final del complejo QRS Los puntos QRS_ ini y QRS_ fin son detectados a partir de VMT como Instantes temporales en los que una ventana móvil (5 ms) supera un umbral umbral = media (ruido ST ) + 3 DE (ruido ST ) 38 19

20 Análisis temporal de los PTV Amplitud (V) VECTOR MAGITUD TEMPORAL QRSD 2 1 LAS4 4 V RMS QRS_ini Tiempo (ms) QRS_fin QRS_fin 4ms Parámetros de análisis: Duración del complejo QRS QRSD QRS _ fin QRS _ ini ivel RMS de los últimos 4 ms del complejo QRS RMS4 1 4 QRS _ fin iqrs _ fin4 2 VMT ( i) Duración terminal del complejo QRS por debajo de los 4 V LAS4 QRS_fin - argmax i VMT i 4V ota: Según el documento estándar de ESC, AHA y ACC Paciente tiene PTV QRSD > 114 ms RMS4 < 2 V LAS4 > 38 ms 39 Análisis temporal de los PTV Paciente Chagásico (Grupo III) Sujeto Sujeto Sano Sano (Grupo (Grupo O) O) Paciente Chagásico Sujeto Sano QRSD ( = 153 ms) > QRSD ( = 15 ms) LAS4 ( = 73 ms) > LAS4 ( = 25 ms) RMS4 ( = V) < RMS4 ( = 39.5 V) 4 2

21 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 41 Detección de ciclos cardíacos Alineamiento de latidos Promediado de latidos Análisis temporal de los PTV 42 21

22 El ECG de Alta Resolución es una técnica electrocardiográfica orientada a la detección de micropotenciales cardíacos, en particular los PTV. Para registrar adecuadamente estos potenciales se requiere un sistema de adquisición con elevada resolución en tiempo, frecuencia y amplitud. Debido a los potenciales están enmascarados por el ruido, se utiliza la técnica de filtrado por promediación. La obtención del latido promedio requiere de algoritmos adecuados de detección de complejos QRS, alineamiento y promediado de latidos. Cualquier error en estas etapas afectará la detección de los potenciales. El análisis temporal de los potenciales se realiza a través del cálculo de tres parámetros estimados en el vector magnitud de las derivaciones ortogonales promediadas y filtradas. TUMI II 213 Congreso Peruano de Ingeniería Biomédica Lima Mayo de 213 Análisis de Micropotenciales Cardíacos en Registros ECG de Alta Resolución Dr. Eric Laciar Leber Gabinete de Tecnología Médica Universidad acional de San Juan laciar@gateme.unsj.edu.ar 22

23 Análisis temporal de los PTV Filtrado convencional Filtrado bidireccional Ringing 45 23