Robust Characterization of the Uterine Myoelectrical Activity in Different Obstetric Scenarios

[EN] Electrohysterography (EHG) has been shown to provide relevant information on uterine activity and could be used for predicting preterm labor and identifying other maternal fetal risks. The extraction of high-quality robust features is a key factor in achieving satisfactory prediction systems from EHG. Temporal, spectral, and non-linear EHG parameters have been computed to characterize EHG signals, sometimes obtaining controversial results, especially for non-linear parameters. The goal of this work was to assess the performance of EHG parameters in identifying those robust enough for uterine electrophysiological characterization. EHG signals were picked up in different obstetric scenarios: antepartum, including women who delivered on term, labor, and post-partum. The results revealed that the 10th and 90th percentiles, for parameters with falling and rising trends as labor approaches, respectively, differentiate between these obstetric scenarios better than median analysis window values. Root-mean-square amplitude, spectral decile 3, and spectral moment ratio showed consistent tendencies for the different obstetric scenarios as well as non-linear parameters: Lempel-Ziv, sample entropy, spectral entropy, and SD1/SD2 when computed in the fast wave high bandwidth. These findings would make it possible to extract high quality and robust EHG features to improve computer-aided assessment tools for pregnancy, labor, and postpartum progress and identify maternal fetal risks.This work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, the European Regional Development Fund (MCIU/AEI/FEDER, UE RTI2018-094449-A-I00-AR) and the Generalitat Valenciana (AICO/2019/220 & GV/2018/104)Mas-Cabo, J.; Ye Lin, Y.; Garcia-Casado, J.; Díaz-Martínez, MDA.; Perales-Marin, A.; Monfort-Ortiz, R.; Roca-Prats, A.... (2020). Robust Characterization of the Uterine Myoelectrical Activity in Different Obstetric Scenarios. Entropy. 22(7):1-15. https://doi.org/10.3390/e22070743S115227Wagura, P., Wasunna, A., Laving, A., Wamalwa, D., & Ng’ang’a, P. (2018). Prevalence and factors associated with preterm birth at kenyatta national hospital. BMC Pregnancy and Childbirth, 18(1). doi:10.1186/s12884-018-1740-2Liu, L., Johnson, H. 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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

Caracterización y utilidad de la electromiografía uterina en diferentes escenarios obstétricos: partos inducidos y estimación de presión intrauterina

[ES] La monitorización de la frecuencia cardíaca fetal y de la actividad uterina es una práctica clínica habitual para obtener información del estado del feto durante el embarazo y el parto. Para la monitorización de la dinámica uterina tradicionalmente se han empleado técnicas como la tocodinamometría (TOCO) y la medida de la presión intrauterina mediante catéter. Sin embargo, ambas técnicas presentan limitaciones que hacen que se requiera la búsqueda de otras alternativas. En este sentido para solventar los problemas relacionados con estas técnicas se plantea el registro de la señal electrohisterográfica (EHG) como una alternativa para monitorizar de forma precisa y no invasiva la actividad mioeléctrica uterina. La técnica ha sido ampliamente estudiada en diferentes condiciones obstétricas como es el caso de la predicción del parto prematuro y en la detección de contracciones de parto; y unos pocos en la predicción del éxito de la inducción del parto y en la estimación de la presión intrauterina. A pesar de que el registro EHG ha demostrado que aporta información relevante sobre las propiedades bioeléctricas del útero, existen pocos estudios sobre la respuesta mioeléctrica uterina a los medicamentos empleados en la inducción del parto que puedan servir como herramienta de ayuda en la predicción del resultado de la inducción del parto. En la presente tesis se abordó este problema mediante dos objetivos generales: 1) caracterizar la respuesta electrofisiológica uterina a los fármacos de inducción del parto a partir de registros EHG y 2) desarrollar y valorar sistemas de ayuda al diagnóstico para predecir el éxito de inducción del parto. Los resultados del primer objetivo revelaron una diferente evolución de los parámetros EHG entre los grupos de éxito y fracaso, revelando que podría ser útil para una predicción de inducción exitosa en las primeras etapas de la inducción, especialmente cuando se usa misoprostol. Para el segundo objetivo se diseñaron sistemas predictores del éxito de la inducción del parto mediante técnicas de machine learning valorando su capacidad predictora. Los resultados mostraron que el EHG puede usarse potencialmente para predecir la inducción exitosa del parto y supera al uso de las características obstétricas tradicionales. El uso clínico del sistema de predicción propuesto ayudaría a mejorar el bienestar materno-fetal y optimizar los recursos hospitalarios. Por otra parte, en la presente tesis también se abordó el registro EHG como una técnica no invasiva para la estimación de la presión intrauterina. Diversos estudios han intentado estimar la señal IUP a partir de parámetros extraídos de la señal EHG. A pesar de estos esfuerzos, existen limitaciones no abordadas específicamente en dichos estudios como es el caso de la gran variabilidad entre pacientes. Por ello, se propuso mejorar la estimación de presión uterina reportada en la literatura mediante un enfoque de interés clínico y abordando la problemática de la variabilidad entre pacientes. Se diseñaron modelos para la estimación de IUP, utilizando diferentes tipos de criterios de optimización y se desarrollaron modelos individuales (mono-paciente) y globales (con el conjunto de pacientes). Finalmente, se abordó el problema de la variabilidad entre sujetos mediante el desarrollo de algoritmos adaptativos para mejorar la exactitud de las estimaciones de IUP derivadas de los modelos globales. Los modelos adaptativos desarrollados superaron los modelos globales, proporcionando un mejor balance para estimar la señal continua de IUP, el tono y la máxima presión. Los modelos de estimación de IUP basados en EHG propuestos en la presente tesis permiten una monitorización no invasiva de la actividad uterina más precisa y, por lo tanto, una mejor evaluación del progreso del parto y del bienestar materno y fetal.[EN] Monitoring fetal heart rate and uterine activity is a common clinical practice to obtain information on the status of the fetus during pregnancy and delivery. Techniques such as tocodynamometry (TOCO) and measurement of intrauterine pressure using a catheter have traditionally been used to monitor uterine dynamics. However, both techniques have limitations that require the search for other alternatives. In this sense, to solve the problems related to these techniques, the recording of the electrohysterographic signal (EHG) is proposed as an alternative to monitor uterine myoelectrical activity accurately and noninvasively. The technique has been extensively studied in different obstetric conditions, such as the prediction of preterm labor and the detection of labor contractions; and a few in predicting the success of labor induction and in estimating intrauterine pressure. Despite the fact that the EHG record has been shown to provide relevant information on the bioelectric properties of the uterus, there are few studies on the uterine myoelectrical response to the medications used to induce labor that can serve as a tool to help predict the outcome of induction of labor. In the present thesis, this problem was addressed through two general objectives: 1) to characterize the uterine electrophysiological response to labor induction drugs from EHG records and 2) to develop and assess diagnostic aid systems to predict the success of induction of labor. The results of the first objective revealed a different evolution of the EHG parameters between the success and failure groups, revealing that it could be useful for a successful induction prediction in the early stages of induction, especially when misoprostol is used. For the second objective, predictive systems for the success of labor induction were designed using machine learning techniques, evaluating its predictive capacity. The results showed that EHG can potentially be used to predict successful induction of labor and outperforms the use of traditional obstetric features. The clinical use of the proposed prediction system would help improve maternal-fetal well-being and optimize hospital resources. On the other hand, in this thesis, EHG recording was also addressed as a non-invasive technique for estimating intrauterine pressure. Various studies have attempted to estimate the IUP signal from parameters extracted from the EHG signal. Despite these efforts, there are limitations not specifically addressed in these studies, such as the great variability between patients. Therefore, it was proposed to improve the estimation of uterine pressure reported in the literature using an approach of clinical interest and addressing the problem of variability between patients. Models were designed for the estimation of IUP, using different types of optimization criteria, and individual (single-patient) and global models (with the set of patients) were developed. Finally, the problem of variability between subjects was addressed through the development of adaptive algorithms to improve the accuracy of IUP estimates derived from global models. The adaptive models developed outperformed the global models, providing better balance to estimate continuous IUP signal, tonus, and maximum pressure. The EHG-based IUP estimation models proposed in this thesis allow more precise non-invasive monitoring of uterine activity and, therefore, a better evaluation of labor progress and maternal and fetal well-being[CA] La monitorització de la freqüència cardíaca fetal i de l'activitat uterina és una pràctica clínica habitual per a obtindre informació de l'estat del fetus durant l'embaràs i el part. Per a la monitorització de la dinàmica uterina tradicionalment s'han empleat tècniques com la tocodinamometría (TOQUE) i la mesura de la pressió intrauterina per mitjà de catèter. No obstant això, ambdós tècniques presenten limitacions que fan que es requerisca la busca d'altres alternatives. En este sentit per a resoldre els problemes relacionats amb estes tècniques es planteja el registre del senyal electrohisterográfica (EHG) com una alternativa per a monitoritzar de forma precisa i no invasiva l'activitat mioeléctrica uterina. La tècnica ha sigut àmpliament estudiada en diferents condicions obstétricas com és el cas de la predicció del part prematur i en la detecció de contraccions de part; i uns pocs en la predicció de l'èxit de la inducció del part i en l'estimació de la pressió intrauterina. A pesar que el registre EHG ha demostrat que aporta informació rellevant sobre les propietats bioeléctricas de l'úter, hi ha pocs estudis sobre la resposta mioeléctrica uterina als medicaments empleats en la inducció del part que puguen servir com a ferramenta d'ajuda en la predicció del resultat de la inducció del part. En la present tesi es va abordar este problema per mitjà de dos objectius generals: 1) caracteritzar la resposta electrofisiològica uterina als fàrmacs d'inducció del part a partir de registres EHG i 2) desenrotllar i valorar sistemes d'ajuda al diagnòstic per a predir l'èxit d'inducció del part. Els resultats del primer objectiu van revelar una diferent evolució dels paràmetres EHG entre els grups d'èxit i fracàs, revelant que podria ser útil per a una predicció d'inducció exitosa en les primeres etapes de la inducció, especialment quan s'usa misoprostol. Per al segon objectiu es van dissenyar sistemes predictors de l'èxit de la inducció del part per mitjà de tècniques de machine learning valorant la seua capacitat predictora. Els resultats van mostrar que l'EHG pot usar-se potencialment per a predir la inducció exitosa del part i supera a l'ús de les característiques obstétricas tradicionals. L'ús clínic del sistema de predicció proposat ajudaria a millorar el benestar matern-fetal i optimitzar els recursos hospitalaris. D'altra banda, en la present tesi també es va abordar el registre EHG com una tècnica no invasiva per a l'estimació de la pressió intrauterina. Diversos estudis han intentat estimar el senyal IUP a partir de paràmetres extrets del senyal EHG. A pesar d'estos esforços, hi ha limitacions no abordades específicament en els dits estudis com és el cas de la gran variabilitat entre pacients. Per això, es va proposar millorar l'estimació de pressió uterina reportada en la literatura per mitjà d'un enfocament d'interés clínic i abordant la problemàtica de la variabilitat entre pacients. Es van dissenyar models per a l'estimació d'IUP, utilitzant diferents tipus de criteris d'optimització i es van desenrotllar models individuals (mona-pacient) i globals (amb el conjunt de pacients). Finalment, es va abordar el problema de la variabilitat entre subjectes per mitjà del desenrotllament d'algoritmes adaptatius per a millorar l'exactitud de les estimacions d'IUP derivades dels models globals. Els models adaptatius desenrotllats van superar els models globals, proporcionant un millor balanç per a estimar el senyal continu d'IUP, el to i la màxima pressió. Els models d'estimació d'IUP basats en EHG proposats en la present tesi permeten una monitorització no invasiva de l'activitat uterina més precisa i, per tant, una millor avaluació del progrés del part i del benestar matern i fetal.Benalcazar Parra, CA. (2020). Caracterización y utilidad de la electromiografía uterina en diferentes escenarios obstétricos: partos inducidos y estimación de presión intrauterina [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/149403TESI

A Comparative Study of Vaginal Labor and Caesarean Section Postpartum Uterine Myoelectrical Activity

[EN] Postpartum hemorrhage (PPH) is one of the major causes of maternal mortality and morbidity worldwide, with uterine atony being the most common origin. Currently there are no obstetrical techniques available for monitoring postpartum uterine dynamics, as tocodynamometry is not able to detect weak uterine contractions. In this study, we explored the feasibility of monitoring postpartum uterine activity by non-invasive electrohysterography (EHG), which has been proven to outperform tocodynamometry in detecting uterine contractions during pregnancy. A comparison was made of the temporal, spectral, and non-linear parameters of postpartum EHG characteristics of vaginal deliveries and elective cesareans. In the vaginal delivery group, EHG obtained a significantly higher amplitude and lower kurtosis of the Hilbert envelope, and spectral content was shifted toward higher frequencies than in the cesarean group. In the non-linear parameters, higher values were found for the fractal dimension and lower values for Lempel-Ziv, sample entropy and spectral entropy in vaginal deliveries suggesting that the postpartum EHG signal is extremely non-linear but more regular and predictable than in a cesarean. The results obtained indicate that postpartum EHG recording could be a helpful tool for earlier detection of uterine atony and contribute to better management of prophylactic uterotonic treatment for PPH prevention.This work was supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, the European Regional Development Fund (MCIU/AEI/FEDER, UE RTI2018-094449-A-I00-AR) and the Generalitat Valenciana (GV/2018/104 and AICO/2019/220).Díaz-Martínez, MDA.; Mas-Cabo, J.; Prats-Boluda, G.; Garcia-Casado, J.; Cardona-Urrego, K.; Monfort-Ortiz, R.; Lopez-Corral, A.... (2020). A Comparative Study of Vaginal Labor and Caesarean Section Postpartum Uterine Myoelectrical Activity. 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