Algorithm for the classification of multi-modulating signals on the electrocardiogram

This article discusses the algorithm to measure electrocardiogram (ECG) and respiration simultaneously and to have the diagnostic potentiality for sleep apnoea from ECG recordings. The algorithm is composed by the combination with the three particular scale transform of a(j)(t), u(j)(t), o(j)(a(j)) and the statistical Fourier transform (SFT). Time and magnitude scale transforms of a(j)(t), u(j)(t) change the source into the periodic signal and τ(j) = o(j)(a(j)) confines its harmonics into a few instantaneous components at τ(j) being a common instant on two scales between t and τ(j). As a result, the multi-modulating source is decomposed by the SFT and is reconstructed into ECG, respiration and the other signals by inverse transform. The algorithm is expected to get the partial ventilation and the heart rate variability from scale transforms among a(j)(t), a(j+1)(t) and u(j+1)(t) joining with each modulation. The algorithm has a high potentiality of the clinical checkup for the diagnosis of sleep apnoea from ECG recordings

Noninvasive autonomic nervous system assessment in respiratory disorders and sport sciences applications

La presente tesis está centrada en el análisis no invasivo de señales cardíacas y respiratorias, con el objetivo de evaluar la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS) en diferentes escenarios, tanto clínicos como no clínicos. El documento está estructurado en tres partes principales. La primera parte consiste en una introducción a los aspectos fisiológicos y metodológicos que serán cubiertos en el resto de la tesis. En la segunda parte, se analiza la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) en el contexto de enfermedades respiratorias, concretamente asma (tanto en niños como en adultos) y apnea del sueño. En la tercera parte, se estudian algunas aplicaciones novedosas del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. La primera parte está compuesta por los capítulos 1 y 2. El capítulo 1 consiste en una extensa introducción al funcionamiento del sistema nervioso autónomo y las características de las bioseñales analizadas a lo largo de la tesis. Por otro lado, se aborda la patofisiología del asma y la apnea del sueño, su relación con el funcionamiento del ANS y las estrategias de diagnóstico y tratamiento de lasmismas. El capítulo concluye con una introducción a la fisiología del ejercicio, así como al interés en la estimación del volumen tidal y del umbral anaeróbico en el campo de las ciencias del deporte.En cuanto al capítulo 2, se presenta un marco de trabajo para el análisis contextualizado de la HRV. Después de una descripción de las técnicas de evaluación y acondicionamiento de la señal de HRV, el capítulo se centra en el efecto de los latidos ectópicos, la arritmia sinusal respiratoria y la frecuencia respiratoria en el análisis de la HRV.Además, se discute el uso de un índice para la evaluación de la distribución de la potencia en los espectros de HRV, así como diferentes medidas de acoplo cardiorespiratorio.La segunda parte está compuesta por los capítulos 3, 4 y 5, todos ellos relacionados con el análisis de la HRV en enfermedades respiratorias. Mientras que los capítulos 3 y 4 están centrados en asma infantil y en adultos respectivamente, el capítulo 5 aborda la apnea del sueño. El asma es una enfermedad respiratoria crónica que aparece habitualmente acompañada por una inflamación de las vías respiratorias. Aunque afecta a personas detodas las edades, normalmente se inicia en edades tempranas, y ha llegado a constituir una de las enfermedades crónicasmás comunes durante la infancia. Sin embargo, todavía no existe un método adecuado para el diagnóstico de asma en niños pequeños. Por otro lado, el rol fundamental que desempeña el sistema nervioso parasimpático en el control del tono bronco-motor y la bronco-dilatación sugiere que la rama parasimpática del ANS podría estar implicada en la patogénesis del asma. De estemodo, en el capítulo 3 se evalúa el ANS mediante el análisis de la HRV en dos bases de datos diferentes, compuestas por niños en edad pre-escolar clasificados en función de su riesgo de desarrollar asma, o de su condición asmática actual. Los resultados del análisis revelaron un balance simpáticovagal reducido y una componente espectral de alta frecuencia más picuda en aquellos niños con un mayor riesgo de desarrollar asma. Además, la actividad parasimpática y el acoplo cardiorespiratorio se redujeron en un grupo de niños con bajo riesgo de asma al finalizar un tratamiento para bronquitis obstructiva, mientras que estos permanecieron inalterados en aquellos niños con una peor prógnosis.A diferencia de los niños pequeños, en el caso de adultos el diagnóstico de asma se realiza a través de una rutina clínica bien definida. Sin embargo, la estratificación de los pacientes en función de su grado de control de los síntomas se basa generalmente en el uso de cuestionarios auto-aplicados, que pueden tener un carácter subjetivo. Por otro lado, la evaluación de la severidad del asma requiere de una visita hospitalaria y de incómodas pruebas, que no pueden aplicarse de una forma continua en el tiempo. De este modo, en el capítulo 4 se estudia el valor de la evaluación del ANS para la estratificación de adultos asmáticos. Para ello, se emplearon diferentes características extraídas de la HRV y la respiración, junto con varios parámetros clínicos, para entrenar un conjunto de algoritmos de clasificación. La inclusión de características relacionadas con el ANS para clasificar los sujetos atendiendo a la severidad del asma derivó en resultados similares al caso de utilizar únicamente parámetros clínicos, superando el desempeño de estos últimos en algunos casos. Por lo tanto, la evaluación del ANS podría representar un potencial complemento para la mejora de la monitorización de sujetos asmáticos.En el capítulo 5, se analiza la HRV en sujetos que padecen el síndrome de apnea del sueño (SAS) y comorbididades cardíacas asociadas. El SAS se ha relacionado con un incremento de 5 veces en el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares (CVD), que podría aumentar hasta 11 veces si no se trata convenientemente. Por otro lado, una HRV alterada se ha relacionado independientemente con el SAS y con numerosos factores de riesgo para el desarrollo de CVD. De este modo, este capítulo se centra en evaluar si una actividad autónoma desbalanceada podría estar relacionada con el desarrollo de CVD en pacientes de SAS. Los resultados del análisis revelaron una dominancia simpática reducida en aquellos sujetos que padecían SAS y CVD, en comparación con aquellos sin CVD. Además, un análisis retrospectivo en una base de datos de sujetos con SAS que desarollarán CVD en el futuro también reveló una actividad simpática reducida, sugiriendo que un ANS desbalanceado podría constituir un factor de riesgo adicional para el desarrollo de CVD en pacientes de SAS.La tercera parte está formada por los capítulos 6 y 7, y está centrada en diferentes aplicaciones del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. El capítulo 6 aborda la estimación del volumen tidal (TV) a partir del electrocardiograma (ECG). A pesar de que una correcta monitorización de la actividad respiratoria es de gran interés en ciertas enfermedades respiratorias y en ciencias del deporte, la mayor parte de la actividad investigadora se ha centrado en la estimación de la frecuencia respiratoria, con sólo unos pocos estudios centrados en el TV, la mayoría de los cuales se basan en técnicas no relacionadas con el ECG. En este capítulo se propone un marco de trabajo para la estimación del TV en reposo y durante una prueba de esfuerzo en tapiz rodante utilizando únicamente parámetros derivados del ECG. Errores de estimación del 14% en la mayoría de los casos y del 6% en algunos sugieren que el TV puede estimarse a partir del ECG, incluso en condiciones no estacionarias.Por último, en el capítulo 7 se propone una metodología novedosa para la estimación del umbral anaeróbico (AT) a partir del análisis de las dinámicas de repolarización ventricular. El AT representa la frontera a partir de la cual el sistema cardiovascular limita la actividad física de resistencia, y aunque fue inicialmente concebido para la evaluación de la capacidad física de pacientes con CVD, también resulta de gran interés en el campo de las ciencias del deporte, permitiendo diseñar mejores rutinas de entrenamiento o para prevenir el sobre-entrenamiento. Sin embargo, la evaluación del AT requiere de técnicas invasivas o de dispositivos incómodos. En este capítulo, el AT fue estimado a partir del análisis de las variaciones de las dinámicas de repolarización ventricular durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro. Errores de estimación de 25 W, correspondientesa 1 minuto en este estudio, en un 63% de los sujetos (y menores que 50 W en un 74% de ellos) sugieren que el AT puede estimarse de manera no invasiva, utilizando únicamente registros de ECG.<br /

A Wearable Wrist Band-Type System for Multimodal Biometrics Integrated with Multispectral Skin Photomatrix and Electrocardiogram Sensors

Multimodal biometrics are promising for providing a strong security level for personal authentication, yet the implementation of a multimodal biometric system for practical usage need to meet such criteria that multimodal biometric signals should be easy to acquire but not easily compromised. We developed a wearable wrist band integrated with multispectral skin photomatrix (MSP) and electrocardiogram (ECG) sensors to improve the issues of collectability, performance and circumvention of multimodal biometric authentication. The band was designed to ensure collectability by sensing both MSP and ECG easily and to achieve high authentication performance with low computation, efficient memory usage, and relatively fast response. Acquisition of MSP and ECG using contact-based sensors could also prevent remote access to personal data. Personal authentication with multimodal biometrics using the integrated wearable wrist band was evaluated in 150 subjects and resulted in 0.2% equal error rate ( EER ) and 100% detection probability at 1% FAR (false acceptance rate) ( PD.1 ), which is comparable to other state-of-the-art multimodal biometrics. An additional investigation with a separate MSP sensor, which enhanced contact with the skin, along with ECG reached 0.1% EER and 100% PD.1 , showing a great potential of our in-house wearable band for practical applications. The results of this study demonstrate that our newly developed wearable wrist band may provide a reliable and easy-to-use multimodal biometric solution for personal authentication

Cardiac Health Diagnosis Using Higher Order Spectra and Support Vector Machine

The Electrocardiogram (ECG) is an important bio-signal representing the sum total of millions of cardiac cell depolarization potentials. It contains important insight into the state of health and nature of the disease afflicting the heart. Heart rate variability (HRV) refers to the regulation of the sinoatrial node, the natural pacemaker of the heart by the sympathetic and parasympathetic branches of the autonomic nervous system. The HRV signal can be used as a base signal to observe the heart's functioning. These signals are non-linear and non-stationary in nature. So, higher order spectral (HOS) analysis, which is more suitable for non-linear systems and is robust to noise, was used. An automated intelligent system for the identification of cardiac health is very useful in healthcare technology. In this work, we have extracted seven features from the heart rate signals using HOS and fed them to a support vector machine (SVM) for classification

Cellular Classes in the Human Brain Revealed In Vivo by Heartbeat-Related Modulation of the Extracellular Action Potential Waveform

Determining cell types is critical for understanding neural circuits but remains elusive in the living human brain. Current approaches discriminate units into putative cell classes using features of the extracellular action potential (EAP); in absence of ground truth data, this remains a problematic procedure. We find that EAPs in deep structures of the brain exhibit robust and systematic variability during the cardiac cycle. These cardiac-related features refine neural classification. We use these features to link bio-realistic models generated from in vitro human whole-cell recordings of morphologically classified neurons to in vivo recordings. We differentiate aspiny inhibitory and spiny excitatory human hippocampal neurons and, in a second stage, demonstrate that cardiac-motion features reveal two types of spiny neurons with distinct intrinsic electrophysiological properties and phase-locking characteristics to endogenous oscillations. This multi-modal approach markedly improves cell classification in humans, offers interpretable cell classes, and is applicable to other brain areas and species

PulseNet: Deep Learning ECG-signal classification using random augmentation policy and continous wavelet transform for canines

Evaluating canine electrocardiograms (ECG) require skilled veterinarians, but current availability of veterinary cardiologists for ECG interpretation and diagnostic support is limited. Developing tools for automated assessment of ECG sequences can improve veterinary care by providing clinicians real-time results and decision support tools. We implement a deep convolutional neural network (CNN) approach for classifying canine electrocardiogram sequences as either normal or abnormal. ECG records are converted into 8 second Lead II sequences and classified as either normal (no evidence of cardiac abnormalities) or abnormal (presence of one or more cardiac abnormalities). For training ECG sequences are randomly augmented using RandomAugmentECG, a new augmentation library implemented specifically for this project. Each chunk is then is converted using a continuous wavelet transform into a 2D scalogram. The 2D scalogram are then classified as either normal or abnormal by a binary CNN classifier. Experimental results are validated against three boarded veterinary cardiologists achieving an AUC-ROC score of 0.9506 on test dataset matching human level performance. Additionally, we describe model deployment to Microsoft Azure using an MLOps approach. To our knowledge, this work is one of the first attempts to implement a deep learning model to automatically classify ECG sequences for canines.Implementing automated ECG classification will enhance veterinary care through improved diagnostic performance and increased clinic efficiency