Atrial signal extraction in atrial fibrillation ECGs exploiting spatial constraints

International audienceThe accuracy in the extraction of the atrial activity (AA) from electrocardiogram (ECG) signals recorded during atrial fibrillation (AF) episodes plays an important role in the analysis and characterization of atrial arrhhythmias. The present contribution puts forward a new method for AA signal automatic extraction based on a blind source separation (BSS) formulation that exploits spatial information about the AA during the T-Q segments. This prior knowledge is used to optimize the spectral content of the AA signal estimated by BSS on the full ECG recording. The comparative performance of the method is evaluated on real data recorded from AF sufferers. The AA extraction quality of the proposed technique is comparable to that of previous algorithms, but is achieved at a reduced cost and without manual selection of parameters

Multiscale Cohort Modeling of Atrial Electrophysiology : Risk Stratification for Atrial Fibrillation through Machine Learning on Electrocardiograms

Patienten mit Vorhofflimmern sind einem fünffach erhöhten Risiko für einen ischämischen Schlaganfall ausgesetzt. Eine frühzeitige Erkennung und Diagnose der Arrhythmie würde ein rechtzeitiges Eingreifen ermöglichen, um möglicherweise auftretende Begleiterkrankungen zu verhindern. Eine Vergrößerung des linken Vorhofs sowie fibrotisches Vorhofgewebe sind Risikomarker für Vorhofflimmern, da sie die notwendigen Voraussetzungen für die Aufrechterhaltung der chaotischen elektrischen Depolarisation im Vorhof erfüllen. Mithilfe von Techniken des maschinellen Lernens könnten Fibrose und eine Vergrößerung des linken Vorhofs basierend auf P Wellen des 12-Kanal Elektrokardiogramms im Sinusrhythmus automatisiert identifiziert werden. Dies könnte die Basis für eine nicht-invasive Risikostrat- ifizierung neu auftretender Vorhofflimmerepisoden bilden, um anfällige Patienten für ein präventives Screening auszuwählen. Zu diesem Zweck wurde untersucht, ob simulierte Vorhof-Elektrokardiogrammdaten, die dem klinischen Trainingssatz eines maschinellen Lernmodells hinzugefügt wurden, zu einer verbesserten Klassifizierung der oben genannten Krankheiten bei klinischen Daten beitra- gen könnten. Zwei virtuelle Kohorten, die durch anatomische und funktionelle Variabilität gekennzeichnet sind, wurden generiert und dienten als Grundlage für die Simulation großer P Wellen-Datensätze mit genau bestimmbaren Annotationen der zugrunde liegenden Patholo- gie. Auf diese Weise erfüllen die simulierten Daten die notwendigen Voraussetzungen für die Entwicklung eines Algorithmus für maschinelles Lernen, was sie von klinischen Daten unterscheidet, die normalerweise nicht in großer Zahl und in gleichmäßig verteilten Klassen vorliegen und deren Annotationen möglicherweise durch unzureichende Expertenannotierung beeinträchtigt sind. Für die Schätzung des Volumenanteils von linksatrialem fibrotischen Gewebe wurde ein merkmalsbasiertes neuronales Netz entwickelt. Im Vergleich zum Training des Modells mit nur klinischen Daten, führte das Training mit einem hybriden Datensatz zu einer Reduzierung des Fehlers von durchschnittlich 17,5 % fibrotischem Volumen auf 16,5 %, ausgewertet auf einem rein klinischen Testsatz. Ein Long Short-Term Memory Netzwerk, das für die Unterscheidung zwischen gesunden und P Wellen von vergrößerten linken Vorhöfen entwickelt wurde, lieferte eine Genauigkeit von 0,95 wenn es auf einem hybriden Datensatz trainiert wurde, von 0,91 wenn es nur auf klinischen Daten trainiert wurde, die alle mit 100 % Sicherheit annotiert wurden, und von 0,83 wenn es auf einem klinischen Datensatz trainiert wurde, der alle Signale unabhängig von der Sicherheit der Expertenannotation enthielt. In Anbetracht der Ergebnisse dieser Arbeit können Elektrokardiogrammdaten, die aus elektrophysiologischer Modellierung und Simulationen an virtuellen Patientenkohorten resul- tieren und relevante Variabilitätsaspekte abdecken, die mit realen Beobachtungen übereinstim- men, eine wertvolle Datenquelle zur Verbesserung der automatisierten Risikostratifizierung von Vorhofflimmern sein. Auf diese Weise kann den Nachteilen klinischer Datensätze für die Entwicklung von Modellen des maschinellen Lernens entgegengewirkt werden. Dies trägt letztendlich zu einer frühzeitigen Erkennung der Arrhythmie bei, was eine rechtzeitige Auswahl geeigneter Behandlungsstrategien ermöglicht und somit das Schlaganfallrisiko der betroffenen Patienten verringert

Characterization and processing of atrial fibrillation episodes by convolutive blind source separation algorithms and nonlinear analysis of spectral features

Las arritmias supraventriculares, en particular la fibrilación auricular (FA), son las enfermedades cardíacas más comúnmente encontradas en la práctica clínica rutinaria. La prevalencia de la FA es inferior al 1\% en la población menor de 60 años, pero aumenta de manera significativa a partir de los 70 años, acercándose al 10\% en los mayores de 80. El padecimiento de un episodio de FA sostenida, además de estar ligado a una mayor tasa de mortalidad, aumenta la probabilidad de sufrir tromboembolismo, infarto de miocardio y accidentes cerebrovasculares. Por otro lado, los episodios de FA paroxística, aquella que termina de manera espontánea, son los precursores de la FA sostenida, lo que suscita un alto interés entre la comunidad científica por conocer los mecanismos responsables de perpetuar o conducir a la terminación espontánea de los episodios de FA. El análisis del ECG de superficie es la técnica no invasiva más extendida en la diagnosis médica de las patologías cardíacas. Para utilizar el ECG como herramienta de estudio de la FA, se necesita separar la actividad auricular (AA) de las demás señales cardioeléctricas. En este sentido, las técnicas de Separación Ciega de Fuentes (BSS) son capaces de realizar un análisis estadístico multiderivación con el objetivo de recuperar un conjunto de fuentes cardioeléctricas independientes, entre las cuales se encuentra la AA. A la hora de abordar un problema de BSS, se hace necesario considerar un modelo de mezcla de las fuentes lo más ajustado posible a la realidad para poder desarrollar algoritmos matemáticos que lo resuelvan. Un modelo viable es aquel que supone mezclas lineales. Dentro del modelo de mezclas lineales se puede además hacer la restricción de que estas sean instantáneas. Este modelo de mezcla lineal instantánea es el utilizado en el Análisis de Componentes Independientes (ICA).Vayá Salort, C. (2010). Characterization and processing of atrial fibrillation episodes by convolutive blind source separation algorithms and nonlinear analysis of spectral features [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8416Palanci

ADAPTIVE MODELS-BASED CARDIAC SIGNALS ANALYSIS AND FEATURE EXTRACTION

Signal modeling and feature extraction are among the most crucial and important steps for stochastic signal processing. In this thesis, a general framework that employs adaptive model-based recursive Bayesian state estimation for signal processing and feature extraction is described. As a case study, the proposed framework is studied for the problem of cardiac signal analysis. The main objective is to improve the signal processing aspects of cardiac signals by developing new techniques based on adaptive modelling of electrocardiogram (ECG) wave-forms. Specially several novel and improved approaches to model-based ECG decomposition, waveform characterization and feature extraction are proposed and studied in detail. In the concept of ECG decomposition and wave-forms characterization, the main idea is to extend and improve the signal dynamical models (i.e. reducing the non-linearity of the state model with respect to previous solutions) while combining with Kalman smoother to increase the accuracy of the model in order to split the ECG signal into its waveform components, as it is proved that Kalman filter/smoother is an optimal estimator in minimum mean square error (MMSE) for linear dynamical systems. The framework is used for many real applications, such as: ECG components extraction, ST segment analysis (estimation of a possible marker of ventricular repolarization known as T/QRS ratio) and T-wave Alternans (TWA) detection, and its extension to many other applications is straightforward. Based on the proposed framework, a novel model to characterization of Atrial Fibrillation (AF) is presented which is more effective when compared with other methods proposed with the same aims. In this model, ventricular activity (VA) is represented by a sum of Gaussian kernels, while a sinusoidal model is employed for atrial activity (AA). This new model is able to track AA, VA and fibrillatory frequency simultaneously against other methods which try to analyze the atrial fibrillatory waves (f-waves) after VA cancellation. Furthermore we study a new ECG processing method for assessing the spatial dispersion of ventricular repolarization (SHVR) using V-index and a novel algorithm to estimate the index is presented, leading to more accurate estimates. The proposed algorithm was used to study the diagnostic and prognostic value of the V-index in patients with symptoms suggestive of Acute Myocardial Infraction (AMI)

Blind Source Separation for the Processing of Contact-Less Biosignals

(Spatio-temporale) Blind Source Separation (BSS) eignet sich für die Verarbeitung von Multikanal-Messungen im Bereich der kontaktlosen Biosignalerfassung. Ziel der BSS ist dabei die Trennung von (z.B. kardialen) Nutzsignalen und Störsignalen typisch für die kontaktlosen Messtechniken. Das Potential der BSS kann praktisch nur ausgeschöpft werden, wenn (1) ein geeignetes BSS-Modell verwendet wird, welches der Komplexität der Multikanal-Messung gerecht wird und (2) die unbestimmte Permutation unter den BSS-Ausgangssignalen gelöst wird, d.h. das Nutzsignal praktisch automatisiert identifiziert werden kann. Die vorliegende Arbeit entwirft ein Framework, mit dessen Hilfe die Effizienz von BSS-Algorithmen im Kontext des kamera-basierten Photoplethysmogramms bewertet werden kann. Empfehlungen zur Auswahl bestimmter Algorithmen im Zusammenhang mit spezifischen Signal-Charakteristiken werden abgeleitet. Außerdem werden im Rahmen der Arbeit Konzepte für die automatisierte Kanalauswahl nach BSS im Bereich der kontaktlosen Messung des Elektrokardiogramms entwickelt und bewertet. Neuartige Algorithmen basierend auf Sparse Coding erwiesen sich dabei als besonders effizient im Vergleich zu Standard-Methoden.(Spatio-temporal) Blind Source Separation (BSS) provides a large potential to process distorted multichannel biosignal measurements in the context of novel contact-less recording techniques for separating distortions from the cardiac signal of interest. This potential can only be practically utilized (1) if a BSS model is applied that matches the complexity of the measurement, i.e. the signal mixture and (2) if permutation indeterminacy is solved among the BSS output components, i.e the component of interest can be practically selected. The present work, first, designs a framework to assess the efficacy of BSS algorithms in the context of the camera-based photoplethysmogram (cbPPG) and characterizes multiple BSS algorithms, accordingly. Algorithm selection recommendations for certain mixture characteristics are derived. Second, the present work develops and evaluates concepts to solve permutation indeterminacy for BSS outputs of contact-less electrocardiogram (ECG) recordings. The novel approach based on sparse coding is shown to outperform the existing concepts of higher order moments and frequency-domain features