A Review of Atrial Fibrillation Detection Methods as a Service

Atrial Fibrillation (AF) is a common heart arrhythmia that often goes undetected, and even if it is detected, managing the condition may be challenging. In this paper, we review how the RR interval and Electrocardiogram (ECG) signals, incorporated into a monitoring system, can be useful to track AF events. Were such an automated system to be implemented, it could be used to help manage AF and thereby reduce patient morbidity and mortality. The main impetus behind the idea of developing a service is that a greater data volume analyzed can lead to better patient outcomes. Based on the literature review, which we present herein, we introduce the methods that can be used to detect AF efficiently and automatically via the RR interval and ECG signals. A cardiovascular disease monitoring service that incorporates one or multiple of these detection methods could extend event observation to all times, and could therefore become useful to establish any AF occurrence. The development of an automated and efficient method that monitors AF in real time would likely become a key component for meeting public health goals regarding the reduction of fatalities caused by the disease. Yet, at present, significant technological and regulatory obstacles remain, which prevent the development of any proposed system. Establishment of the scientific foundation for monitoring is important to provide effective service to patients and healthcare professionals

Atrial fibrillation classification based on MLP networks by extracting Jitter and Shimmer parameters

Atrial fibrillation (AF) is the most common cardiac anomaly and one that potentially threatens human life. Due to its relation to a variation in cardiac rhythm during indeterminate periods, long-term observations are necessary for its diagnosis. With the increase in data volume, fatigue and the complexity of long-term features make analysis an increasingly impractical process. Most medical diagnostic aid systems based on machine learning, are designed to automatically detect, classify or predict certain behaviors. In this work, using the PhysioNet MIT-BIH Atrial Fibrillation database, a system based on MLP artificial neural network is proposed to differentiate, between AF and non-AF, segments and ECG’s features, obtaining average accuracy of 80.67% in test set, for the 10-fold cross-validation method. As a highlight, the extraction of jitter and shimmer parameters from ECG windows is presented to compose the network input sets, indicating a slight improvement in the model's performance. Added to these, Shannon's and logarithmic energy entropies are determined, also indicating an improvement in performance related to the use of fewer features.This work has been supported by FCT – Fundação para a Ciência e Tecnologia within the Project Scope: UIDB/05757/2020.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

The Application of Computer Techniques to ECG Interpretation

This book presents some of the latest available information on automated ECG analysis written by many of the leading researchers in the field. It contains a historical introduction, an outline of the latest international standards for signal processing and communications and then an exciting variety of studies on electrophysiological modelling, ECG Imaging, artificial intelligence applied to resting and ambulatory ECGs, body surface mapping, big data in ECG based prediction, enhanced reliability of patient monitoring, and atrial abnormalities on the ECG. It provides an extremely valuable contribution to the field

HEART RHYTHM CLASSIFICATION FROM STATIC AND ECG TIME-SERIES DATA USING HYBRID MULTIMODAL DEEP LEARNING

Cardiovascular arrhythmia diseases are considered as the most common diseases that cause death around the world. Abnormal arrhythmia diseases can be identified by analyzing heart rhythm using an electrocardiogram (ECG). However, this analysis is done manually by cardiologists, which may be subjective and susceptible to different cardiologist observations and experiences, as well as to noise and irregularities in those signals. This can lead to misdiagnosis. Motivated by this challenge, an automated heart rhythm diagnosis approach from ECG signals using Deep Learning has been proposed. In order to achieve this goal, three research problems have been addressed. First, recognize the role of each single-lead of a 12-lead ECG to classify heart rhythms. Second, understanding the importance of static data (e.g., demographics and clinical profile) in classifying heart rhythms. Third, realizing whether the static data can be combined with the ECG time series data for better classification performance. In this thesis, different deep learning models have been proposed to address these problems and satisfactory results are achieved. Therefore, using this knowledge, an effective hybrid deep learning model to classify heart rhythms has been proposed. As per knowledge obtained from relevant literature, this is the first work to identify the importance of individual lead and combined lead as well as the importance of combining static data with ECG time series data in classifying heart rhythms. Extensive experiments have been performed to evaluate this algorithm on a 12-lead ECG database that contains data from more than 10,000 individual subjects and obtained a high average of accuracy (up to 98.7%) and F1-measure (up to 98.7%). Moreover, in this thesis, the distribution of heart rhythms from the database based on heart rhythm type, gender, and age group have been analyzed, which will be valuable for further improvement of classification performance. This study will provide valuable insights and will prove to be an effective tool in automated heart rhythm classification and will assist cardiologists in effectively and accurately diagnosing heart disease

Prediction of Cardiac Death Risk by Analysis of Ventricular Repolarization Restitution from the Electrocardiogram Signal

Las enfermedades cardiovasculares siguen siendo la mayor causa de muertes en todo el mundo, y se espera que el número de casos crezca progresivamente en los próximos años con el envejecimiento de la población. Por ello, se necesitan marcadores no invasivos con alta capacidad de predicción de muerte para reducir la incidencia de estos eventos fatales.La insuficiencia cardiaca crónica (CHF, del inglés "Chronic Heart Failure") describe la condición por la cual el corazón no es capaz de bombear suficiente sangre para alcanzar las demandas del cuerpo. Se ha demostrado que los pacientes con CHF pueden experimentar un empeoramiento progresivo de los síntomas, pudiendo llegar a producirse la muerte por fallo de bomba (PFD, del inglés "Pump Failure Death"), o sufrireventos arrítmicos malignos que lleven a la muerte súbita cardiaca (SCD, del inglés "Sudden Cardiac Death"). Uno de los factores electro-fisiológicos con mayor influencia en la generación de arritmias malignas es el aumento de la dispersión de la repolarización, o la variación espacio-temporal en los tiempos de repolarización. También se ha demostrado que la respuesta de esta dispersión a variaciones en el ritmo cardiaco, es decir, la dispersión de la restitución de la repolarización, está relacionada con mayor riesgo arrítmico y de SCD. Por otro lado, el empeoramiento de CHF se manifiesta con una reducción de la respuesta de los ventrículos a la estimulación autonómica, y con un balance simpato-vagal anormal. Con la llegada de los defibriladores cardioversores implantables (ICDs, del inglés "Implantable Cardioverter Defibrillators"), y de la terapia de resincronización cardiaca (CRT, del inglés "Cardiac Resynchronization Therapy"), los dos dispositivos más popularmente usados en la práctica clínica para prevenir SCD y PFD, respectivamente, la estratificación de riesgo se ha vuelto muy relevante. Específicamente, ser capaces de predecir el evento potencial que un paciente con CHF podría sufrir (SCD, PFD u otras causas) es de gran importancia. La señal de electrocardiograma (ECG) es un método barato y no invasivo que contiene información importante acerca de la actividad eléctrica del corazón.El objetivo principal de esta tesis es desarrollar marcadores de riesgo derivados del ECG que caractericen la restitución de la repolarización ventricular para mejorar la predicción de SCD y PFD en pacientes con CHF. Para ello, se han utilizado, por un lado, índices basados en intervalos temporales, como los intervalos QT y Tpe, ya que las dinámicas de estos intervalos están asociadas con la restitución de la repolarización, y con su dispersión, respectivamente, y, por el otro lado, índices basados en la morfología de la onda T. Para utilizar la información de la morfología, se ha desarrollado una metodología innovadora que permite la comparación de dos formas diferentes, y la cuantificación de sus diferencias.En el capítulo 2 se desarrolló un algoritmo completamente automático para estimar la pendiente y la curvatura de las dinámicas de los intervalos QT y Tpe a partir de registros ECG Holter de 24 horas de 651 pacientes con CHF. A continuación, se estudió la modulación del patrón circadiano de las estimaciones propuestas, y se evaluó su valor predictivo de SCD y PFD. Finalmente, se estudió la capacidad de clasificación del marcador analizado con mayor valor predictivo, individualmente y en combinación con otros dos marcadores de riesgo de ECG previamente propuestos, que reflejan mecanismos electro-fisiológicos y autonómicos. Los resultados demostraron que la dispersión de la restitución de la repolarización, cuantificada a partir de la pendiente de la dinámica del intervalo Tpe, tiene valor predictivo de SCD y de PFD, con pendientes altas indicativas de sustrato arrímico predisponiendo a SCD y pendientes planas indicativas de fatiga mecánica del corazón predisponiendo a PFD. Sin embargo, la pendiente de la restitución de la repolarización, cuantificada como la pendiente de la relación QT/RR, así como los parámetros de curvatura de las dos relaciones, no mostraron asociación con ningún tipo de muerte cardiaca. El patrón circadiano moduló estos parámetros, con valores significativamente mayores durante el día que durante la noche. Finalmente, los resultados de clasificación probaron que la combinación de los marcadores de riesgo derivados del ECG que reflejan información complementaria mejora la discriminación entre SCD, PFD y otros pacientes. Nuestros resultados sugieren que la pendiente de la dinámica del intervalo Tpe podría incluirse en la práctica clínica como herramienta para estratificar pacientes de acuerdo a su riesgo de sufrir SCD o PFD y, por lo tanto, aumentar el beneficio del tratamiento con ICDs o CRT.Considerando estos resultados, postulamos a continuación que la morfología de la onda T contiene información adicional, no tenida en cuenta al usar únicamente índices basados en intervalos temporales. Por lo tanto, en el capítulo 3 desarrollamos una metodología para comparar la morfología de dos ondas T, y propusimos y evaluamos la capacidad de nuevos marcadores derivados del ECG para cuantificar variaciones en la morfología de la onda T. Primero, comparamos la capacidad de eliminar la variabilidad en el dominio temporal de dos algoritmos, "Dynamic Time Warping" (DTW) y "Square-root Slope Function" (SRSF). Luego, se propusieron índices morfológicos y se evaluó su robustez ante la presencia de ruido aditivo con señales generadas sintéticamente. A continuación, se utilizó un modelo electrofisiológico cardiaco para investigarla relación entre los índices de variabilidad morfológica de onda T y los cambios morfológicos a nivel celular. Finalmente, se cuantificaron las variaciones en la morfología de la onda T producidas por una prueba de tabla basculante en registros de ECG con los marcadores propuestos y se estudió su correlación con el ritmo cardiaco y otros marcadores tradicionales. Nuestros resultados mostraron que SRSF fue capaz de separarlas variaciones en el tiempo y en la amplitud de la onda T. Además, los marcadores propuestos de variabilidad morfológica probaron ser robustos frente a ruido aditivo Laplaciano y demostraron reflejar variaciones en la dispersión de la repolarización a nivel celular en simulación y en registros de ECG reales. En conclusión, los índices propuestos que cuantifican variaciones morfológicas de la onda T han demostrado un gran potential para ser usados como predictores de riesgo arrítmico.En el capítulo 4, se exploró la restitución de la repolarización ventricular usando los índices de variabilidad morfológica presentados en el capítulo 3. Bajo la hipótesis de que la morfología de la onda T refleja la dispersión de la repolarización, hipotetizamos que la restitución de la morfología de la onda T reflejaría la dispersión de la restitución de la repolarización. Por lo tanto, calculamos la pendiente de la restituciónde la morfología de la onda T y evaluamos su valor predictivo de SCD y PFD. También estudiamos, como en el capítulo 2, la modulación del patrón circadiano y la capacidad de clasificación. Los resultados mostraron que la dispersión de la restitución de la repolarización cuantificada a través de la pendiente de la restitución de la morfología de la onda T, estaba asociada específicamente con SCD, sin ninguna relación con PFD. El patrón circadiano también moduló la restitución de la morfología de la onda T, con valores significativamente mayores durante el día que durante la noche. Finalmente, los resultados de clasificación también mejoraron al utilizar una combinación de marcadores de riesgo derivados del ECG. En conclusión, la pendiente de la restitución de la morfología de la onda T podría usarse en la práctica clínica como herramienta para definir una población de alto riesgo de SCD que podría beneficiarse de implantación con ICDs.Finalmente, aunque lo deseable es encontrar un índice individual con alto valor predictivo, los eventos de SCD y PFD son el resultado de una múltiple cadena de mecanismos. Por lo tanto, la predicción podría mejorarse todavía más si se usara un marcador que integrara varios factores de riesgo. En el capítulo 5 se propusieron modelos clínicos, basados en el ECG y otros combinando ambos tipos de variables, para predecir específicamente riesgo de SCD y de PFD. Además, se comparó su valor predictivo. Los modelos clínicos, basados en ECG y combinado demostraron mejorar la predicción de SCD y de PFD, comparado con los marcadores individuales. Para SCD, la combinación de variables clínicas y derivadas del ECG mejoró sustancialmente la predicción de riesgo, comparado con el uso de uno de los dos tipos de variables. Sinembargo, la predicción de riesgo de PFD demostró ser óptima al utilizar el modelo derivado del ECG, ya que la combinación con variables clínicas no añadió ninguna información predictiva de PFD. Nuestros resultados confirman la necesidad de utilizar un índice multi-factorial, que incluya información de mecanismos complementarios, para optimizar la estratificación de riesgo de SCD y de PFD.En conclusión, en esta tesis se han propuesto dos índices derivados del ECG, que reflejan dispersión de la restitución de la repolarización, y se ha demostrado su valor predictivo de SCD y PFD. Cada índice explota información diferente de la onda T, uno utiliza el intervalo Tpe y el otro utiliza la morfología completa de la onda T. Para la cuantificación de las diferencias en la morfología de la onda T, se ha desarrollado una metodología robusta que se basa en la re-parametrización en el tiempo.<br /

Construcción de un sistema Electrocardiográfico con conexión inalámbrica a teléfonos inteligentes

According to the World Health Organization, cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. For prevention, diagnosis and treatment of heart disease, a medical examination known as electrocardiogram is required, the exam records the electrical activity of the heart and is acquired through a device called an electrocardiograph. In the same way, there is a growing motivation towards the development of new technologies to monitor health and ensure the general well-being of the population, which is speeded up through the rise and advancement of mobile devices. This paper presents the design and implementation of an electrocardiograph which allows the graphic display of the electrocardiographic signal on a mobile device with Android operating system and has an interface to a personal computer where the signals obtained are deployed, processed and analyzed. To build the device, an evolutionary-incremental methodology was followed. The functioning of the system was evaluated in the detection of arrhythmias and acute myocardial infarction; achieving performance indicators of TPR = 87.50% for signals with arrhythmias and TPR = 92.59% for signals with infarction. In this way, information can be captured, processed, parameterized, transmitted, stored in integral health computer systems and used to perform diagnostics by remote specialists; profiling, this system, as alternatives for the diagnosis, care and monitoring of people who have heart problems.Según la organización mundial de la salud, las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo. Para su prevención, diagnóstico y tratamiento se requiere un examen médico conocido como electrocardiograma el cual registra la actividad eléctrica del corazón y que adquirido mediante un dispositivo llamado electrocardiógrafo. De otra parte, hoy en día se aprecia una motivación creciente hacia el desarrollo de nuevas tecnologías para monitorear la salud y asegurar el bienestar general de la población, lo cual ha sido potenciado con el auge y avance de los dispositivos móviles. En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un electrocardiógrafo que posibilita el despliegue en forma gráfica de la señal electrocardiográfica en un dispositivo móvil con sistema operativo Android, que además posee una interfaz a un computador personal donde se despliega, procesa y analizan las señales obtenidas. Para construir el dispositivo, se siguió una metodología evolutiva-incremental. El funcionamiento del sistema se evaluó en la detección de arritmias e infarto agudo de miocardio y se alcanzaron indicadores de rendimiento de TPR= 87.50% para señales con arritmias y TPR = 92.59% para señales con infarto. De esta manera, usando este dispositivo, la información se puede capturar, procesar, parametrizar, transmitir, almacenar en sistemas informáticos de salud integral y ser utilizada para realizar diagnósticos por especialistas remotos; perfilándose como alternativas para el diagnóstico, atención y seguimiento de personas que tengan problemas de salud. &nbsp

Construcción de un sistema Electrocardiográfico con conexión inalámbrica a teléfonos inteligentes

According to the World Health Organization, cardiovascular diseases are the leading cause of death worldwide. For prevention, diagnosis and treatment of heart disease, a medical examination known as electrocardiogram is required, the exam records the electrical activity of the heart and is acquired through a device called an electrocardiograph. In the same way, there is a growing motivation towards the development of new technologies to monitor health and ensure the general well-being of the population, which is speeded up through the rise and advancement of mobile devices. This paper presents the design and implementation of an electrocardiograph which allows the graphic display of the electrocardiographic signal on a mobile device with Android operating system and has an interface to a personal computer where the signals obtained are deployed, processed and analyzed. To build the device, an evolutionary-incremental methodology was followed. The functioning of the system was evaluated in the detection of arrhythmias and acute myocardial infarction; achieving performance indicators of TPR = 87.50% for signals with arrhythmias and TPR = 92.59% for signals with infarction. In this way, information can be captured, processed, parameterized, transmitted, stored in integral health computer systems and used to perform diagnostics by remote specialists; profiling, this system, as alternatives for the diagnosis, care and monitoring of people who have heart problems.Según la organización mundial de la salud, las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte en todo el mundo. Para su prevención, diagnóstico y tratamiento se requiere un examen médico conocido como electrocardiograma el cual registra la actividad eléctrica del corazón y que adquirido mediante un dispositivo llamado electrocardiógrafo. De otra parte, hoy en día se aprecia una motivación creciente hacia el desarrollo de nuevas tecnologías para monitorear la salud y asegurar el bienestar general de la población, lo cual ha sido potenciado con el auge y avance de los dispositivos móviles. En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un electrocardiógrafo que posibilita el despliegue en forma gráfica de la señal electrocardiográfica en un dispositivo móvil con sistema operativo Android, que además posee una interfaz a un computador personal donde se despliega, procesa y analizan las señales obtenidas. Para construir el dispositivo, se siguió una metodología evolutiva-incremental. El funcionamiento del sistema se evaluó en la detección de arritmias e infarto agudo de miocardio y se alcanzaron indicadores de rendimiento de TPR= 87.50% para señales con arritmias y TPR = 92.59% para señales con infarto. De esta manera, usando este dispositivo, la información se puede capturar, procesar, parametrizar, transmitir, almacenar en sistemas informáticos de salud integral y ser utilizada para realizar diagnósticos por especialistas remotos; perfilándose como alternativas para el diagnóstico, atención y seguimiento de personas que tengan problemas de salud. &nbsp