Machine Learning approach for TWA detection relying on ensemble data design

Background and objective: T-wave alternans (TWA) is a fluctuation of the ST–T complex of the surface electrocardiogram (ECG) on an every–other–beat basis. It has been shown to be clinically helpful for sudden cardiac death stratification, though the lack of a gold standard to benchmark detection methods limits its application and impairs the development of alternative techniques. In this work, a novel approach based on machine learning for TWA detection is proposed. Additionally, a complete experimental setup is presented for TWA detection methods benchmarking. Methods: The proposed experimental setup is based on the use of open-source databases to enable experiment replication and the use of real ECG signals with added TWA episodes. Also, intra-patient overfitting and class imbalance have been carefully avoided. The Spectral Method (SM), the Modified Moving Average Method (MMA), and the Time Domain Method (TM) are used to obtain input features to the Machine Learning (ML) algorithms, namely, K Nearest Neighbor, Decision Trees, Random Forest, Support Vector Machine and Multi-Layer Perceptron. Results: There were not found large differences in the performance of the different ML algorithms. Decision Trees showed the best overall performance (accuracy 0.88 ± 0.04, precision 0.89 ± 0.05, Recall 0.90± 0.05, F1 score 0.89± 0.03). Compared to the SM (accuracy 0.79, precision 0.93, Recall 0.64, F1 score 0.76) there was an improvement in every metric except for the precision. Conclusions: In this work, a realistic database to test the presence of TWA using ML algorithms was assembled. The ML algorithms overall outperformed the SM used as a gold standard. Learning from data to identify alternans elicits a substantial detection growth at the expense of a small increment of the false alarm.Universidad de Alcal

Research on Baseline Wander Removal and QRS Detection in Automated Analysis of Computerized Electrocardiogram

目前，计算机化心电图自动分析是一个热门的研究领域。它正在使心电仪器变得越来越智能，从而带来了心脏疾病诊断、监护、防控等方面的变革。但是这一领域的进一步发展正受到两个方面因素的制约：⑴心电图在采集的过程中通常会受到各种噪声的干扰；⑵缺少可靠的、稳定的算法来准确检测出心电图上的各个特征点。 因此，本文将围绕两个问题展开研究：⑴滤除心电图信号中最普遍的一种噪声——基线漂移；⑵检测心电图信号中最显著的成分波——QRS波群。这两项研究是心电图自动分析技术中最重要的工作。本文的主要研究工作及创新点归纳如下： 1、提出了基于离散余弦变换的算法以滤除心电图信号中的基线漂移。基线漂移是心电图信号中最...Currently, automated analysis of computerized electrocardiogram (ECG) is an active area of research. It is making the ECG equipments more and more intelligent, therefore evoking revolution in different aspects including cardiac disease diagnosis, cardiac disease monitoring, cardiac disease prevention and control, etc. However, the further development of this area is being restricted by two factors...学位：工程硕士院系专业：信息科学与技术学院智能科学与技术系_计算机技术学号：3152009115283

Characterizing Atrial Fibrillation Substrate by Electrogram and Restitution Analysis

Vorhofflimmern ist die häufigste supraventrikuläre Arrhythmie in der klinischen Praxis. Es gibt Hinweise darauf, dass pathologisches Vorhofsubstrat (Fibrose) eine zentrale mechanistische Rolle bei der Aufrechterhaltung von Vorhofflimmern spielt. Die Behandlung von Vorhofflimmern erfolgt durch Ablation des fibrotischen Substrats. Der Nachweis eines solchen Substrats ist jedoch eine ungelöste Herausforderung, was durch die mangelnden positiven klinischen Ablationsergebnisse ersichtlich wird. Daher ist das Hauptthema dieser Arbeit die Charakterisierung des atrialen Substrats. Die Bestimmung von Signalmerkmalen an Stellen mit fibrotischem Substrat erleichtert die Erkennung und anschließende Ablation solcher Areale in Zukunft. Darüber hinaus kann das Verständnis der Art und Weise, wie diese Areale das Vorhofflimmern aufrechterhalten, die positiven Ergebnisse von Ablationseingriffen verbessern. Schließlich kann Restitutionsinformation ein weiteres Instrument zur Substratcharakterisierung sein, das bei der Unterscheidung zwischen pathologischen und nicht-pathologischen Arealen helfen und somit das Ablationsergebnis weiter verbessert. In dieser Arbeit werden zwei Ansätze zur Substratcharakterisierung vorgestellt: Zunächst wurde eine Charakterisierung des Substrats mit Hilfe des intraatrialen Elektrogramms vorgenommen. Dazu wurde eine Auswahl spezifischer Merkmale des Elektrogramms an Positionen evaluiert, die eine Terminierung von Vorhofflimmern nach Ablation zur Folge hatten. Die Studie beinhaltete 21 Patienten, bei denen eine Ablation nach Pulmonalvenenisolation das klinisch persistierende Vorhofflimmern beendete. Der klinisch vorgeschlagene Grenzwert der Spannungsamplitude von <0:5 mV wurde genutzt, um die Positionen der Ablation zu definieren. Die Bereiche, in denen das Vorhofflimmern erfolgreich terminiert wurde, wiesen ausgeprägte Elektrogramm-Muster auf. Diese waren gekennzeichnet durch kurze lokale Zykluslängen, die fraktionierte Potentiale und Niederspannungspotentiale enthielten. Gleichzeitig zeigten sie eine lokale Konsistenz und deckten einen Großteil der lokalen Vorhofflimmer-Zykluslänge ab. Die meisten dieser Bereiche wiesen auch im Sinusrhythmus pathologisch verzögerte atriale Spätpotentiale und fraktionierte Elektrogramme auf. Im zweiten Teil der Arbeit wurden Restitutionsdaten der lokalen Amplitude und der lokalen Leitungsgeschwindigkeit (CV) erfasst und genutzt, um daraus Informationen über das zugrunde liegende Substrat abzuleiten. Die Daten zur Restitution wurden von 22 Patienten mit Vorhofflimmern aus zwei Kliniken unter Verwendung eines S1S2-Protokolls mit Stimulationsintervallen von 180 ms bis 500 ms gewonnen. Um Restitutionsdaten der Patientengruppe zu erhalten, musste ein automatisierter Algorithmus entwickelt werden, der in der Lage ist, große Mengen an Stimulationsprotokolldaten zu lesen, zu segmentieren und auszuwerten. Dieser Algorithmus wurde in der vorliegenden Arbeit entwickelt und CVAR-Seg genannt. Der CVAR-Seg Algorithmus bietet eine rauschresistente Signalsegmentierung, die mit extremen Rauschpegeln getestet wurde, die weit über dem erwarteten klinischen Pegel lagen. CVAR-Seg wurde unter einer Open-Source-Lizenz für die Allgemeinheit bereitgestellt. Es ermöglicht aufgrund seines modularen Aufbaus den einfachen Austausch einzelner Verfahrensschritte durch alternative Methoden entsprechend den Bedürfnissen des Anwenders. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Studie eine neuartige Methode, die sogenannte inverse Doppelellipsenmethode, zur Bestimmung der lokalen CV etabliert. Diese Methode schätzt die CV, die Faserorientierung und den Anisotropiefaktor bei beliebiger Elektrodenanordnung. In Simulationen reproduzierte die Doppelellipsenmethode die vorherrschende CV, Faserorientierung und Anisotropie genauer und robuster als die aktuell gängigste Methode. Zusätzlich erwies sich diese Methode als echtzeittauglich und könnte daher in klinischen Elektrophysiologiesystemen eingesetzt werden. Die Doppelellipsenmethode würde durch die lokalisierte Vermessung des Vorhofsubstrats ermöglichen während eines Kartierungsverfahrens gleichzeitig eine CV-Karte, eine Anisotropieverhältniskarte und eine Faserkarte zu erstellen. Die Restitutionsinformationen der Patientenkohorte wurden mit der CVARSeg-Pipeline und der inversen Doppelellipsenmethode ausgewertet, um Amplituden- und CV-Restitutionskurven zu erhalten. Zur Anpassung der Restitutionskurven wurde eine monoexponentielle Funktion verwendet. Die Parameter der angepassten Funktion, die die Restitutionskurven abbilden, wurden verwendet, um Unterschiede in den Restitutionseigenschaften zwischen pathologischem und nicht-pathologischem Substrat zu erkennen. Das Ergebnis zeigte, dass klinisch definierte pathologische Bereiche durch eine reduzierte Amplitudenasymptote und einen steilen Kurvenabfall bei erhöhter Stimulationsrate gekennzeichnet waren. CV-Kurven zeigten eine reduzierte Asymptote und eine große Variation im Parameter der den Kurvenabfall beschreibt. Darüber hinaus wurden die Restitutionsunterschiede innerhalb des Vorhofs an der posterioren und anterioren Wand verglichen, da die Literatur keine eindeutigen Ergebnisse lieferte. In dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass die posteriore Vorhofwand Amplituden- und CV-Restitutionskurven mit höherer Asymptote und moderaterer Krümmung verglichen mit der anterioren Vorhofwand aufweist. Um über den empirisch beschriebenen manuellen Schwellenwert hinauszugehen, wurde der Parameterraum, der von den Anpassungsparametern der Amplituden- und CV-Restitutionskurven aufgespannt wird, nach natürlich vorkommenden Clustern durchsucht. Obgleich Cluster vorhanden waren, deutete ihre unzureichende Trennung auf einen kontinuierlichen, sich mit dem Schweregrad der Substratpathologie verändernden Verlauf der Amplituden- und CV-Kurven hin. Schließlich wurde eine einfachere und schnellere Methode zur Erfassung von Restitutionsdaten vorgestellt, die einen vergleichbaren Informationsgehalt auf der Grundlage der maximalen Steigung anstelle einer vollständigen Restitutionskurve liefert. In dieser Arbeit werden zwei neue Methoden vorgestellt, der CVAR-Seg-Algorithmus und die inverse Doppelellipsenmethode, die eine Auswertung von S1S2 Stimulationsprotokollen und die Bestimmung der lokalen Leitungsgeschwindigkeit beschleunigen und verbessern. Darüber hinaus werden in dieser Arbeit Merkmale von pathologischem Gewebe definiert, die zur Identifizierung von Arrhythmiequellen beitragen. Somit trägt diese Arbeit dazu bei, die Therapie von Vorhofflimmern in Zukunft zu verbessern

Novel approaches for quantitative electrogram analysis for rotor identification: Implications for ablation in patients with atrial fibrillation

University of Minnesota Ph.D. dissertation. May 2017. Major: Biomedical Engineering. Advisor: Elena Tolkacheva. 1 computer file (PDF); xxviii, 349 pages + 4 audio/video filesAtrial fibrillation (AF) is the most common sustained cardiac arrhythmia that causes stroke affecting more than 2.3 million people in the US. Catheter ablation with pulmonary vein isolation (PVI) to terminate AF is successful for paroxysmal AF but suffers limitations with persistent AF patients as current mapping methods cannot identify AF active substrates outside of PVI region. Recent evidences in the mechanistic understating of AF pathophysiology suggest that ectopic activity, localized re-entrant circuit with fibrillatory propagation and multiple circuit re-entries may all be involved in human AF. Accordingly, the hypothesis that rotor is an underlying AF mechanism is compatible with both the presence of focal discharges and multiple wavelets. Rotors are stable electrical sources which have characteristic spiral waves like appearance with a pivot point surrounded by peripheral region. Targeted ablation at the rotor pivot points in several animal studies have demonstrated efficacy in terminating AF. The objective of this dissertation was to develop robust spatiotemporal mapping techniques that can fully capture the intrinsic dynamics of the non-stationary time series intracardiac electrogram signal to accurately identify the rotor pivot zones that may cause and maintain AF. In this thesis, four time domain approaches namely multiscale entropy (MSE) recurrence period density entropy (RPDE), kurtosis and intrinsic mode function (IMF) complexity index and one frequency domain approach namely multiscale frequency (MSF) was proposed and developed for accurate identification of rotor pivot points. The novel approaches were validated using optical mapping data with induced ventricular arrhythmia in ex-vivo isolated rabbit heart with single, double and meandering rotors (including numerically simulated data). The results demonstrated the efficacy of the novel approaches in accurate identification of rotor pivot point. The chaotic nature of rotor pivot point resulted in higher complexity measured by MSE, RPDE, kurtosis, IMF and MSF compared to the stable rotor periphery that enabled its accurate identification. Additionally, the feasibility of using conventional catheter mapping system to generate patient specific 3D maps for intraprocedural guidance for catheter ablation using these novel approaches was demonstrated with 1055 intracardiac electrograms obtained from both atria’s in a persistent AF patient. Notably, the 3D maps did not provide any clinically significant information on rotor pivot point identification or the presence of rotors themselves. Validation of these novel approaches is required in large datasets with paroxysmal and persistent AF patients to evaluate their clinical utility in rotor identification as potential targets for AF ablation

Analysis of Ventricular Depolarisation and Repolarisation Using Registration and Machine Learning

Our understanding of cardiac diseases has greatly advanced since the advent of electrocardiography (ECG). With the increasing influx of available data in recent times, significant research efforts have been put forth to automate the study and detection of cardiac conditions. Naturally, the focus has progressed toward studying dynamic changes in ventricular depolarisation and repolarisation across serial recordings - as complex beat-to-beat changes in morphology manifest over time. Manual extraction of diagnostic and prognostic markers is a laborious task. Hence, automated and accurate methods are required to extract markers for the study of ventricular lability and detection of common diseases, such as myocardial ischemia and myocardial infarction. The aim of this thesis is to improve automated marker extraction and detection of diseases for the study of ventricular depolarisation and repolarisation lability in ECG. As such, two novel template adaptation methods capable of capturing complex beat-to-beat morphological changes are proposed for three-dimensional and two-dimensional data, respectively. The proposed three-dimensional template adaptation method provides an inhomogeneous method for transforming template vectorcardiogram (VCG) by exploiting registrationinspired parametrisation and an efficient kernel ridge regression formulation. Analysis across simulated data and clinical myocardial infarction data demonstrates state-of-the-art results. The two-dimensional template adaptation method draws from traditional registrationbased techniques and treats the ECG as a two-dimensional point set problem. Validation against previously employed simulated data and a gold-standard annotated clinical database demonstrate the highest level of performance. Subsequently, frameworks employing the proposed template adaptation techniques are developed for the automated detection of ischemic beats and myocardial infarction. Furthermore, a small study analysing ventricular repolarisation variability (VRV) in non-ischemic cardiomyopathy (CM) is considered, utilising markers of cardiac lability proposed in the development of the three-dimensional template adaptation system. In summary, this thesis highlights the necessity for custom template adaptation methods for the accurate measurement of beat-to-beat variability in cardiac data. Two novel stateof- the-art methods are proposed and extended to study myocardial ischemia, myocardial infarction and non-ischemic CM.Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Electrical and Electronic Engineering, 202

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

When Cardiac Biophysics Meets Groupwise Statistics: Complementary Modelling Approaches for Patient-Specific Medicine

This habilitation manuscript contains research on biophysical and statistical modeling of the heart, as well as interactions between these two approaches

Multichannel Analysis of Intracardiac Electrograms - Supporting Diagnosis and Treatment of Cardiac Arrhythmias

Cardiologists diagnose and treat atrial tachycardias using electroanatomical mapping systems. These can be combined with multipolar catheters to record intracardiac electrograms. Within this thesis, various signal processing techniques were implemented and benchmarked to analyze electrograms. They support the physician in diagnosis and treatment of atrial flutter and atrial fibrillation. The developed methods were assessed using simulated data and demonstrated on clinical cases

When Cardiac Biophysics Meets Groupwise Statistics: Complementary Modelling Approaches for Patient-Specific Medicine

This habilitation manuscript contains research on biophysical and statistical modeling of the heart, as well as interactions between these two approaches