Hybrid methods based on empirical mode decomposition for non-invasive fetal heart rate monitoring

This study focuses on fetal electrocardiogram (fECG) processing using hybrid methods that combine two or more individual methods. Combinations of independent component analysis (ICA), wavelet transform (WT), recursive least squares (RLS), and empirical mode decomposition (EMD) were used to create the individual hybrid methods. Following four hybrid methods were compared and evaluated in this study: ICA-EMD, ICA-EMD-WT, EMD-WT, and ICA-RLS-EMD. The methods were tested on two databases, the ADFECGDB database and the PhysioNet Challenge 2013 database. Extraction evaluation is based on fetal heart rate (fHR) determination. Statistical evaluation is based on determination of correct detection (ACC), sensitivity (Se), positive predictive value (PPV), and harmonic mean between Se and PPV (F1). In this study, the best results were achieved by means of the ICA-RLS-EMD hybrid method, which achieved accuracy(ACC) > 80% at 9 out of 12 recordings when tested on the ADFECGDB database, reaching an average value of ACC > 84%, Se > 87%, PPV > 92%, and F1 > 90%. When tested on the Physionet Challenge 2013 database, ACC > 80% was achieved at 12 out of 25 recordings with an average value of ACC > 64%, Se > 69%, PPV > 79%, and F1 > 72%.Web of Science8512185120

A clustering-based method for single-channel fetal heart rate monitoring

Non-invasive fetal electrocardiography (ECG) is based on the acquisition of signals from abdominal surface electrodes. The composite abdominal signal consists of the maternal electrocardiogram along with the fetal electrocardiogram and other electrical interferences. These recordings allow for the acquisition of valuable and reliable information that helps ensure fetal well-being during pregnancy. This paper introduces a procedure for fetal heart rate extraction from a single-channel abdominal ECG signal. The procedure is composed of three main stages: a method based on wavelet for signal denoising, a new clustering-based methodology for detecting fetal QRS complexes, and a final stage to correct false positives and false negatives. The novelty of the procedure thus relies on using clustering techniques to classify singularities from the abdominal ECG into three types: maternal QRS complexes, fetal QRS complexes, and noise. The amplitude and time distance of all the local maxima followed by a local minimum were selected as features for the clustering classification. A wide set of real abdominal ECG recordings from two different databases, providing a large range of different characteristics, was used to illustrate the efficiency of the proposed method. The accuracy achieved shows that the proposed technique exhibits a competitve performance when compared to other recent works in the literature and a better performance over threshold-based techniques.This work has been partially funded by Banco Santander and Centro Mixto UGR-MADOC through project SIMMA (code 2/16). The contribution of Antonio García has been partially funded by Spain's Ministerio de Educación, Cultura y Deporte (Programa Estatal de Promoción del Talento y su Empleabilidad en I+D+i, Subprograma Estatal de Movilidad, within Plan Estatal de Investigación Científica y Técnica y de Innovación 2013-2016) under a "Salvador de Madariaga" grant (PRX17/00287)

Detection of atrial fibrillation episodes in long-term heart rhythm signals using a support vector machine

Atrial fibrillation (AF) is a serious heart arrhythmia leading to a significant increase of the risk for occurrence of ischemic stroke. Clinically, the AF episode is recognized in an electrocardiogram. However, detection of asymptomatic AF, which requires a long-term monitoring, is more efficient when based on irregularity of beat-to-beat intervals estimated by the heart rate (HR) features. Automated classification of heartbeats into AF and non-AF by means of the Lagrangian Support Vector Machine has been proposed. The classifier input vector consisted of sixteen features, including four coefficients very sensitive to beat-to-beat heart changes, taken from the fetal heart rate analysis in perinatal medicine. Effectiveness of the proposed classifier has been verified on the MIT-BIH Atrial Fibrillation Database. Designing of the LSVM classifier using very large number of feature vectors requires extreme computational efforts. Therefore, an original approach has been proposed to determine a training set of the smallest possible size that still would guarantee a high quality of AF detection. It enables to obtain satisfactory results using only 1.39% of all heartbeats as the training data. Post-processing stage based on aggregation of classified heartbeats into AF episodes has been applied to provide more reliable information on patient risk. Results obtained during the testing phase showed the sensitivity of 98.94%, positive predictive value of 98.39%, and classification accuracy of 98.86%.Web of Science203art. no. 76

Cardiotocography Signal Abnormality Detection based on Deep Unsupervised Models

Cardiotocography (CTG) is a key element when it comes to monitoring fetal well-being. Obstetricians use it to observe the fetal heart rate (FHR) and the uterine contraction (UC). The goal is to determine how the fetus reacts to the contraction and whether it is receiving adequate oxygen. If a problem occurs, the physician can then respond with an intervention. Unfortunately, the interpretation of CTGs is highly subjective and there is a low inter- and intra-observer agreement rate among practitioners. This can lead to unnecessary medical intervention that represents a risk for both the mother and the fetus. Recently, computer-assisted diagnosis techniques, especially based on artificial intelligence models (mostly supervised), have been proposed in the literature. But, many of these models lack generalization to unseen/test data samples due to overfitting. Moreover, the unsupervised models were applied to a very small portion of the CTG samples where the normal and abnormal classes are highly separable. In this work, deep unsupervised learning approaches, trained in a semi-supervised manner, are proposed for anomaly detection in CTG signals. The GANomaly framework, modified to capture the underlying distribution of data samples, is used as our main model and is applied to the CTU-UHB dataset. Unlike the recent studies, all the CTG data samples, without any specific preferences, are used in our work. The experimental results show that our modified GANomaly model outperforms state-of-the-arts. This study admit the superiority of the deep unsupervised models over the supervised ones in CTG abnormality detection

Uterine contractions clustering based on surface electromyography: an input for pregnancy monitoring

Tese de mestrado em Bioestatística, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Inicialmente a investigação da contratilidade uterina recorria à utilização de dois métodos: o tocograma externo e o cateter de pressão intrauterino. Ambos os métodos apresentam limitações ao nível da avaliação do risco de parto prematuro e na monitorização da gravidez. O EHG (Electrohisterograma) é um método alternativo ao tocograma externo e ao cateter de pressão intrauterino. Este método pode ser aplicado de forma invasiva no músculo uterino, ou de forma não invasiva através de elétrodos colocados no abdómen. O EHG tem sido considerado uma ferramenta adequada para a monitorização da gravidez e do parto. O índice de massa corporal tem um impacto quase impercetível no EHG, sendo esta uma das principais características deste método. O EHG pode também ser utilizado para identificar as mulheres que vão entrar em trabalho de parto e ainda auxiliar na tomada de decisão médica quanto à utilização da terapia tocolítica (antagonista da oxitocina), evitando deste modo a ingestão de medicação desnecessária e os consequentes efeitos secundários. Na literatura existem apenas cinco casos publicados em que foi realizada uma separação dos principais eventos do sinal EHG: contrações, movimentos fetais, ondas Alvarez e ondas LDBF (Longue Durée Basse Fréquence). Em três das publicações a separação dos eventos foi feita manualmente e nos restantes casos algoritmos, como redes neuronais, foram aplicados ao EHG. As ondas Alvarez e as Braxton-Hicks são as mais reconhecidas. As ondas Alvarez foram descritas pela primeira vez nos anos cinquenta e as Braxton-Hicks foram descritas pela primeira vez em 1872 sendo detetadas através de palpação. As ondas Alvarez são ocasionalmente sentidas pela mulher. Estas ondas estão localizadas numa pequena área do tecido uterino sem propagação e podem levar a contrações com maior intensidade e, consequentemente, ao parto pré-termo. As Braxton-Hicks são contrações ineficientes registadas a partir da 20ª semana de gravidez que se tornam mais frequentes e intensas com o decorrer da gravidez. Estas contrações são menos localizadas que as ondas Alvarez e, durante o parto, propagam-se por todo o tecido uterino num curto período de tempo. As Braxton-Hicks estão associadas a uma diminuição do ritmo cardíaco fetal. As ondas LDBF são contrações de longa duração associadas a hipertonia uterina, quando há contração do tecido uterino sem retorno ao relaxamento muscular, o que representa um risco na gravidez. Neste trabalho foram utilizadas duas bases de dados. Na base de dados da Islândia existem 122 registos de 45 mulheres, dos quais apenas 4 correspondem a partos pré-termo. Na base de dados TPEHG (Term-Preterm EHG) existem 300 registos, dos quais 38 correspondem a partos pré-termo. Neste trabalho foram escolhidos canais bipolares, visto que estes reduzem o ruído idêntico, como o ECG (Eletrocardiograma) materno ou movimentos respiratórios. Para ambas as bases de dados os sinais originais de EHG foram processados e filtrados. Na estimação espetral foram considerados dois métodos: paramétricos e não paramétricos. O método Welch foi escolhido pois representa um bom compromisso entre ambos. Este método foi utilizado para calcular o espectro de cada evento detetado no sinal EHG. Para detetar os eventos no sinal EHG foram considerados cinco métodos baseados na energia ou amplitude. O método Wavelet foi o escolhido pois após uma inspeção visual, este era o método que delineava melhor as contrações. Na base de dados da Islândia foram identificadas 3136 contrações e na TPEHG foram encontradas 4622 contrações. O objetivo principal desta tese é obter clusters de contrações detetadas no sinal EHG. No entanto, as contrações são séries temporais não estacionárias, e a sua classificação visual é inviável a longo termo e também difícil de aplicar na prática clínica. Existem vários parâmetros que podem ser extraídos do sinal EHG, mas o espectro das contrações foi o método escolhido visto que este representa o sinal EHG e tem sempre a mesma dimensão, independentemente da duração da contração. As distâncias espetrais têm sido utilizadas com sucesso no reconhecimento áudio. Neste trabalho foi realizada uma aplicação desse método ao processamento do EHG, no qual foram realizados os ajustes necessários. Para comparar os espectros foram estudadas 8 distâncias diferentes: Itakura-Saito, COSH, Itakura, Itakura simétrica, Kullback-Leibler, Jeffrey, Rényi e Jensen-Rényi. Apenas as distâncias simétricas foram selecionadas para um estudo mais detalhado visto que estas são, segundo a literatura, as distâncias mais adequadas aquando do clustering. Após comparação das distâncias simétricas, a divergência de Jeffrey foi a selecionada para a comparação dos espectros. Nesta tese foram avaliados três métodos diferentes de clustering: o linkage, o K-means e o K-medoids. O linkage é um método hierárquico. Os clusters que resultam do agrupamento hierárquico estão organizados numa estrutura chamada dendrograma. No agrupamento hierárquico, não é necessário predeterminar o número de clusters, o que torna este um método ideal na exploração dos dados. O K-means e o K-medoids são métodos de partição, nos quais os dados são separados em k clusters decididos previamente. Os clusters são definidos de forma a otimizar a função da distância. No algoritmo K-means, os clusters baseiam-se na proximidade entre si de acordo com uma distância predeterminada. A diferença entre o K-medoids e o K-means é que o K-medoids escolhe pontos de dados como centros, chamados de medoides, enquanto K-means usa centróides. Após uma comparação dos diferentes métodos de clustering foi escolhido neste trabalho foi o average linkage, visto que este apresentava melhores resultados quer na separação dos espectros quer na silhueta. É então apresentado um método inovador no qual se utiliza todo o espectro das contrações detetadas automaticamente no EHG para o clustering não supervisionado. Esta técnica é uma contribuição para a classificação automática das diferentes contrações, especialmente aquelas mais reconhecidas na literatura: Alvarez e Braxton-Hicks. Era expectável encontrar um cluster isolado com as ondas LDBF, visto que estas representam um risco para o feto. O principal objetivo era juntar num cluster os espectros semelhantes das contrações, e relacioná-lo com o respetivo tipo de contração. Essa tarefa foi concluída através da identificação positiva de Alvarez e Braxton-Hicks. O clustering forneceu ainda algumas pistas sobre ondas Alvarez que não foram encontradas com o algoritmo de deteção de contrações, situação para a qual um método alternativo é apresentado. É sugerido que as ondas Alvarez sejam detetadas com métodos baseados na frequência, como, por exemplo, a frequência instantânea, no entanto este método não foi desenvolvido neste trabalho. Em relação às ondas LDBF, estas foram encontradas no cluster das Braxton-Hicks. É sugerido que a deteção das ondas LDBF seja baseada na sua caraterística mais distinta: a longa duração. Verificou-se que os casos pré-termo e os registos pré-parto não ficaram isolados num cluster, não se tendo encontrado uma relação entre a idade gestacional e o tipo de contração. Conclui-se que as contrações mais curtas apresentam maior amplitude do que as contrações com maior duração. Baseado em estudos anteriores sobre a eletrofisiologia do útero, supõem-se que o início do trabalho de parto pré-termo e termo esteja associado a sequências específicas de diferentes tipos de contrações, nas quais as ondas Alvares desempenham um papel importante. As contrações identificadas como Alvarez e Braxton-Hicks não são usadas como tal na prática clínica apesar de a maioria das contrações detetadas pelo tocograma serem Braxton-Hicks. O interesse pelas ondas Alvarez diminuiu rapidamente visto que estas ondas são praticamente indetetáveis pelo método de referência de deteção de contrações: o tocograma. As capacidades e a resolução do EHG levaram à renovação do estudo das contrações mais subtis, incluindo as Alvarez. Este trabalho é uma contribuição para a investigação nesta área.An innovative technique is introduced wherein where an unsupervised clustering method using as feature the whole spectrum of automatically detected contractions on the EHG (Electrohysterogram) is presented as a contribution to the automatic classification of the different uterine contractions, at least those that have been most recognized in the literature: Alvarez and Braxton-Hicks. It was expected to also be able to cluster the LDBF (Longue Durée Basse Fréquence) components, as these pose a fetal risk. The main task was to have the spectral contractions descriptions clustered and linked to the respective contraction type. That task was completed with positive identification of the Alvarez and Braxton-Hicks. The clustering process also provided clues regarding the missed Alvarez waves in the contraction detection algorithm, for which an alternative technique is suggested but not developed in this work. Regarding the LDBF they were found in the Braxton-Hicks cluster. It is suggested the LDBF´s to be detected based in their most prominent feature: the long duration. It is presented the rationale behind the selection of a cost function to be used in the spectral distance’s algorithm. Spectral distances have been successfully used in audio recognition and this works represents an application to the EHG processing, for which the necessary adjustments have to be implemented. It was found that no single cluster pointed to the preterm cases, or indeed to the pre-labor subject recordings. It is hypothesized, based on previous studies in uterine electrophysiology, that the initiation of pre-term or term labor should be associated with triggering contraction sequences of different types, where the Alvarez waves play a major role. Alvarez and Braxton-Hicks, labeled as such, are not typically used in the clinical environment despite most of the Tocogram detected contractions being the latter. Alvarez waves are not usually detectable by the Tocogram. Alvarez were firstly detected invasively in the early fifties, and Braxton-Hicks in 1872 using routine palpation techniques. The interest in Alvarez components declined rapidly since being practically undetectable by the de facto reference in the contraction detection: the Tocogram. The EHG capabilities and resolution made it possible to revive the research on the most subtle uterine contractions, Alvarez included and this work is a contribution in this research area

Fetal states identification in cardiotocographic tracings through discrete emissions multivariate hidden markov models

Background and objectives: Computerized Cardiotocography (cCTG) allows to analyze the Fetal Heart Rate (FHR) objectively and thoroughly, providing valuable insights on fetal condition. A challenging but crucial task in this context is the automatic identification of fetal activity and quiet periods within the tracings. Different neural mechanisms are involved in the regulation of the fetal heart, depending on the behavioral states. Thereby, their correct identification has the potential to increase the interpretability and diagnostic capabilities of FHR quantitative analysis. Moreover, the most common pathologies in pregnancy have been associated with variations in the alternation between quiet and activity states. Methods: We address the problem of fetal states clustering by means of an unsupervised approach, resorting to the use of a multivariate Hidden Markov Models (HMM) with discrete emissions. A fixed length sliding window is shifted on the CTG traces and a small set of features is extracted at each slide. After an encoding procedure, these features become the emissions of a multivariate HMM in which quiet and activity are the hidden states. After an unsupervised training procedure, the model is used to automatically segment signals. Results: The achieved results indicate that our developed model exhibits a high degree of reliability in identifying quiet and activity states within FHR signals. A set of 35 CTG signals belonging to different pregnancies were independently annotated by an expert gynecologist and segmented using the proposed HMM. To avoid any bias, the physician was blinded to the results provided by the algorithm. The overall agreement between the HMM's predictions and the clinician's interpretations was 90%.Conclusions: The proposed method reliably identified fetal behavioral states, the alternance of which is an important factor in the fetal development. One key strength of our approach lies in the ease of interpreting the obtained results. By utilizing a small set of parameters that are already used in cCTG and possess clear intrinsic meanings, our method provides a high level of explainability. Another significant advantage of our approach is its fully unsupervised learning process. The states identified by our model using the Baum-Welch algorithm are associated with the "Active" and "Quiet" states only after the clustering process, removing the reliance on expert annotations. By autonomously identifying the clusters based solely on the intrinsic characteristics of the signal, our method achieves a more objective evaluation that overcomes the limitations of subjective interpretations. Indeed, we believe it could be integrated in cCTG systems to obtain a more complete signal analysis