A review of machine learning techniques in photoplethysmography for the non-invasive cuff-less measurement of blood pressure

Hypertension or high blood pressure is a leading cause of death throughout the world and a critical factor for increasing the risk of serious diseases, including cardiovascular diseases such as stroke and heart failure. Blood pressure is a primary vital sign that must be monitored regularly for the early detection, prevention and treatment of cardiovascular diseases. Traditional blood pressure measurement techniques are either invasive or cuff-based, which are impractical, intermittent, and uncomfortable for patients. Over the past few decades, several indirect approaches using photoplethysmogram (PPG) have been investigated, namely, pulse transit time, pulse wave velocity, pulse arrival time and pulse wave analysis, in an effort to utilise PPG for estimating blood pressure. Recent advancements in signal processing techniques, including machine learning and artificial intelligence, have also opened up exciting new horizons for PPG-based cuff less and continuous monitoring of blood pressure. Such a device will have a significant and transformative impact in monitoring patients’ vital signs, especially those at risk of cardiovascular disease. This paper provides a comprehensive review for non-invasive cuff-less blood pressure estimation using the PPG approach along with their challenges and limitations

Analysis of the cardiovascular response to autonomic nervous system modulation in Brugada syndrome patients

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i Université de Rennes 1Brugada syndrome (BS) is a genetic arrhythmogenic disease characterized by a distinctive electrocardiographic pattern, associated with a high risk for sudden cardiac death (SCD) due to ventricular fibrillation (VF) in absence of structural cardiopathies. Its complex and multifactorial nature turns risk stratification into a major challenge. Although variations in autonomic modulation are commonly related to arrhythmic events in this population, novel markers with higher predictive values are still needed so as to identify those patients at high risk. The autonomic function can be better characterized through the application of standardized maneuvers stimulating the autonomic nervous system (ANS), such as exercise testing or the head-up tilt (HUT) test. Therefore, in this PhD thesis a thorough evaluation of the cardiovascular response to ANS modulations overnight is proposed, as well as in response to exercise and HUT testing, on a clinical database composed of BS patients with different levels of risk (symptomatic and asymptomatic subjects). In this context, the autonomic function was assessed by three main approaches. First, through the characterization and comparison of previously described methods capturing heart rate complexity, baroreflex sensitivity, and non-stationary heart rate variability, never before studied in the context of BS patients; in order to identify new markers capable of distinguishing between symptomatic and asymptomatic patients. According to the results, a lower variability and complexity overnight, as well as a higher vagal tone and a lower sympathetic activity both during exercise and HUT testing, was observed in the symptomatic group. In a second analysis, in order to address the multifactorial nature of the disease, a multivariate approach based on a step-based machine learning method was introduced. By employing features extracted at signal-processing analysis, robust classifiers capable of identifying patients at high risk were proposed. The classifier based on autonomic features extracted during nighttime analysis presented the best performance (AUC=95%), improving previously reported predictive models of risk in BS based on non-invasive parameters. Finally, the third part of this work was focused on the implementation of novel mathematical models and the associated model analysis methods, so as to study the autonomic mechanisms regulating the mechanical and circulatory functions of the cardiovascular system in this population. First, by the integration and evaluation of a computational model capturing the cardiovascular system's dynamics and its autonomic regulation in response to HUT testing. Likewise, a second model-based approach based on a recursive identification of the sympathetic and parasympathetic contributions to ANS regulation was proposed in order to estimate the time-varying autonomic response to exertion and subsequent recovery. The results showed a reduced contractility function, as well as a significantly greater parasympathetic activity during exercise, in symptomatic patients. Finally, in order to combine characteristics extracted from model-based approaches, a prospective study introduced a multivariate classifier based on estimated model parameters. Overall, the obtained results indicate important trends of clinical relevance that provide new insights into the underlying autonomic mechanisms regulating the cardiovascular system in BS, improving physiopathology and prognosis interpretation, with a potential future impact on therapeutic strategies. The proposed approach is presented as a potential instrument for the identification of those asymptomatic patients at high risk who may benefit from a cardioverter defibrillator implantation.El síndrome de Brugada (SB) es una enfermedad genética asociada a un patrón electrocardiográfico característico y a un elevado riesgo de muerte súbita cardíaca (MSC), causada por fibrilación ventricular (FV) en ausencia de cardiopatías estructurales. Debido a su naturaleza compleja y multifactorial, la estratificación del riesgo supone, en la actualidad, uno de los aspectos más controvertidos. Ciertas alteraciones en la modulación del sistema nervioso autónomo (SNA) se han relacionado con eventos arrítmicos en esta población; no obstante, nuevos marcadores con valores predictivos más elevados que permitan identificar a aquellos pacientes con un alto riesgo de sufrir MSC son todavía necesarios. El uso de maniobras estandarizadas con el objetivo de estimular el SNA permiten mejorar la caracterización de la función autonómica. Por ello, en esta tesis doctoral se propone una evaluación exhaustiva de la respuesta cardiovascular a la modulación del SNA durante la noche, así como en respuesta al ejercicio y a la prueba de mesa inclinada, en una base de datos clínicos compuesta por sujetos con diferentes niveles de riesgo (pacientes sintomáticos y asintomáticos). En este contexto, la evaluación de la función autonómica se llevó a cabo mediante tres estrategias principales. En primer lugar, se caracterizaron y compararon la variabilidad y complejidad del ritmo cardíaco, así como la sensibilidad barorrefleja, en pacientes sintomáticos y asintomáticos, con el objetivo de identificar nuevos marcadores capaces de distinguir entre grupos de pacientes. Los resultados mostraron, en el grupo sintomático, una menor variabilidad y complejidad durante la noche, así como un mayor tono vagal y una menor actividad simpática tanto durante el ejercicio como en respuesta a la prueba de mesa inclinada. En un segundo análisis, se abordó la etiología multifactorial del síndrome mediante un enfoque multivariado basado en un método de aprendizaje automático por etapas. A partir de marcadores extraídos en la etapa anterior, se propusieron modelos predictivos capaces de clasificar pacientes diagnosticados con SB en función de su nivel de riesgo. El mejor clasificador (AUC = 95%) fue diseñado a partir de marcadores autonómicos obtenidos durante la noche, superando modelos predictivos previamente descritos para la estratificación del riesgo en el SB a partir de la combinación de parámetros no invasivos. Finalmente, se analizaron las interacciones entre las funciones mecánica, circulatoria y autonómica de estos pacientes a partir de modelos fisiológicos. En primer lugar, mediante la implementación y evaluación de un modelo computacional integrando la dinámica del sistema cardiovascular y su respuesta autonómica a la prueba de mesa inclinada. Asimismo, se propuso la identificación recursiva de un modelo implementado para el análisis de la evolución temporal de las contribuciones simpática y parasimpática del SNA durante una prueba de esfuerzo. Los resultados mostraron una menor contractilidad, así como una actividad parasimpática significativamente mayor durante el ejercicio, en pacientes sintomáticos. Con el objetivo de combinar características extraídas del modelado fisiológico, un último estudio prospectivo propuso el diseño de un clasificador multivariado integrando los parámetros estimados en esta última etapa. Los resultados obtenidos indican importantes tendencias de relevancia clínica que aportan nuevos conocimientos sobre los mecanismos autonómicos encargados de regular el sistema cardiovascular en el SB. Su interpretación permite mejorar la estratificación del riesgo en estos pacientes y, por tanto, optimizar las estrategias terapéuticas aplicadas. La metodología propuesta se presenta como un instrumento para la identificación de aquellos pacientes con alto riesgo de MSC que podrían beneficiarse de la implantación de desfibriladores automáticos.Le syndrome de Brugada (BS) est une maladie cardiaque caractérisée par la survenue d’une syncope ou mort subite, provoquées par une arythmie cardiaque, chez les patients avec un coeur structurellement normal, mais présentant des altérations électrocardiographiques spécifiques. Cependant, ces modifications sont intermittentes et varient avec la température ou les traitements appliqués, ce qui rend particulièrement difficile le diagnostic chez un patient donné. En outre, elles sont fortement modulées par le système nerveux autonome (SNA), partie du système nerveux périphérique responsable de la régulation des organes internes. Les défibrillateurs implantables (DI) sont le traitement principal pour les patients symptomatiques, c’est-à-dire les patients documentés d’arythmie ventriculaire, syncope ou ayant survécu à un épisode de mort subite. Cependant, la décision d’implanter un DI peut être très difficile pour des patients asymptomatiques sans antécédents familiaux de morte subite. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était d’améliorer la compréhension de l’influence du SNA chez les patients souffrant du BS. Une méthodologie globale fusionnant traitement du signal, machine learning et modélisation a été proposée durant la thèse. Cette chaine de traitement originale a pu être mise en oeuvre sur trois bases de données de patients BS symptomatiques et asymptomatiques. Les bases de données cliniques utilisées dans ce travail sont le résultat d’une étude prospective, multicentrique dont l’objectif était de provoquer des modifications de l’activité du SNA chez les patients BS. L’acquisition des données s’est déroulée entre 2009 et 2013 dans le service de cardiologie du CHU de Rennes et les participants provenaient de 8 hôpitaux français situés à La Rochelle, Angers, Bordeaux, Brest, Nantes, Rennes, Poitiers et Tours. Afin de caractériser les patients présentant différents niveaux de risque, les participants ont été classés en patients symptomatiques et asymptomatiques, selon leurs historiques cliniques. Les patients symptomatiques devaient présenter les symptômes documentés suivants : arrêt cardiaque dû à une fibrillation ventriculaire, syncopes, vertiges, palpitations et convulsions nocturnes. La base de données est constituée des ECG (12 dérivations) de 87 patients, collectés pendant 24 heures, incluant un test d’orthostatisme (tilt-test) et une épreuve d’effort. L’acquisition était réalisée à l’aide d’un moniteur Holter (ELA medical, Sorin Group, Le Plessis Robinsson, France) à une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz. Par ailleurs, des tilt-tests ont été réalisés sur 32 patients en mesurant de manière non-invasive la pression artérielle et l’ECG avec le moniteur Task Force (CN Systems, Graz, Autriche) à une fréquence d’échantillonnage de 100 Hz et 1000 Hz, respectivement. Des signaux ECG à 12 dérivations échantillonnés à 1000 Hz ont été acquis chez 36 autres patients BS lors d’un test d’exercice avec le moniteur ECG (Cardionics, Webster, Texas). Par conséquent, l’analyse de l’activité du système nerveux autonome est basée sur 3 périodes différentes : 1) une épreuve d’effort, 2) un test d’orthostatisme (tilt-test) et 3) un recueil de données pendant la nuit. La réponse du système nerveux autonome, à ces trois tests, a tout d’abord été évaluée avec des méthodes d’estimation du gain du baroréflexe, de variabilité et de complexité cardiaque. L’une des difficultés du traitement des signaux associés à l’épreuve d’effort et au test d’orthostatisme réside dans leurs natures non-stationnaires. L’analyse spectrale de ces signaux nécessite la mise en oeuvre d’outils spécifiques permettant de décrire une évolution temporelle des caractéristiques fréquentielles. Des analyses temps-fréquence, basées sur la transformée de Wigner-Ville, ont ainsi été utilisées afin d’étudier conjointement, le contenu spectral des signaux, et leurs évolutions temporelles. Cependant, ces méthodes classiques d’analyse de la variabilité cardiaque ne permettent pas de capturer la non-linéarité de la dynamique cardiovasculaire. Ainsi, des méthodes spécifiques d’analyse de la complexité des séries cardiaques ont pu être utilisées. La sensibilité du baroréflexe de ces patients a été évaluée à partir de différentes méthodes proposées dans la littérature. Une série d’indices a ainsi été déduite des signaux avant d’être analysée pour trouver des différences significatives entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. Les résultats ont mis en évidence que les indices calculés chez les patients symptomatiques sont associés à une baisse de la variabilité et de la complexité cardiaque pendant la nuit. Par ailleurs, pendant le test d’exercice, les patients symptomatiques ont montré une activité vagale augmentée et un tonus sympathique réduit. Lors de la réponse au tilt-test, les patients symptomatiques ont présenté une augmentation du tonus parasympathique et une réduction de l’équilibre sympatho-vagal par rapport aux patients asymptomatiques. L’étiologie multifactorielle du BS nécessite l’utilisation d’approches complexes capables de capturer les multiples mécanismes sous-jacents à la maladie. Ainsi, une analyse multivariée a été réalisée à partir de la série d’indices calculés précédemment. L’approche globale, basée sur des méthodes de machine learning, permet de combiner de manière optimale les indices autonomiques extraits précédemment, afin de concevoir des classificateurs capables de différencier les patients BS, en fonction de leur symptomatologie. La sélection de ces indicateurs autonomiques, permettant une meilleure caractérisation du BS, peut être difficile surtout lorsque le nombre de sources dépasse la quantité d’observations et que les variabilités entre patients sont significatives. Ainsi, une approche robuste basée sur un processus de sélection de paramètres en deux étapes a été mise en oeuvre. La méthodologie proposée a été optimisée, évaluée et comparée sur les données extraites lors de différents tests autonomiques. Les résultats montrent que le meilleur classificateur (AUC = 95%) a été conçu à partir de marqueurs autonomiques obtenus pendant la nuit, améliorant des modèles prédictifs décrits précédemment pour la stratification du risque dans le BS à partir de la combinaison de paramètres non invasifs. Bien que l’analyse multivariée proposée montre une amélioration des performances de classification par rapport à la littérature, les méthodes utilisées n’intègrent pas de connaissance physiologique dans le traitement des données. Or le BS étant une pathologie complexe et multifactorielle, l’utilisation de modèles mathématiques de connaissance peut s’avérer pertinente car cela permet l’intégration d’information physiologique dans le traitement des données et l’analyse de mécanismes sous-jacents qui sont difficiles ou impossibles à observer en clinique avec des méthodes non-invasives, comme le tonus vagal ou sympathique. Une analyse à base de modèle a été proposée durant la thèse afin : 1) d’étudier la réponse autonomique et hémodynamique au test d’orthostatisme chez des sujets sains et des patients BS, 2) de simuler les réponses vagales et sympathiques durant l’épreuve d’effort chez les patients BS symptomatiques et asymptomatiques. Concernant l’étude de la réponse au test d’orthostatisme, un modèle a été proposé de manière à intégrer les représentations : i) de l’activité électrique cardiaque, ii) de la mécanique des ventricules et des oreillettes, iii) des circulations systémique et pulmonaire et iv) du baroréflexe incluant les voies vagale et sympathique. Le modèle complet permet de simuler les réponses hémodynamiques et autonomiques au test d’orthostatisme. Des analyses de sensibilité, basées sur des méthodes globales et de criblage, ont mis en évidence l’importance de certains paramètres du baroréflexe et en lien avec la description des propriétés diastoliques des ventricules. Ces paramètres ont pu être identifiés, à l’aide d’algorithmes évolutionnaires, afin de créer des modèles spécifiques-patients de 8 sujets sains et 12 patients BS. Les résultats ont montré des différences significatives concernant la réponse sympathique au tilt-test entre sujets sains et BS. Par ailleurs, les patients symptomatiques et asymptomatiques sont associés des modifications significatives des paramètres diastoliques ventriculaires. Concernant les simulations de la réponse autonomique durant l’épreuve d’effort, un algorithme d’identification récursif a pu être mis en oeuvre sur un modèle composé des cavités cardiaques, des circulations systémique et pulmonaire, couplées au baroréflexe. L’identification récursive réalisée sur le modèle a permis une estimation des activités vagale et sympathique durant l’effort chez 13 patients BS symptomatiques et 31 asymptomatiques. Les patients symptomatiques ont montré une élévation significative de l’activité vagale, spécialement à la fin de l’échauffement. Les analyses réalisées sur les modèles proposés, concernant le test d’orthostatisme et l’épreuve d’effort, ont permis une exploration de variables physiologiques, difficilement observables. Les résultats obtenus avec les modèles mettent en évidence des modifications de la réponse hémodynamique cardiaque et confirment des modifications de la balance sympatho-vagale entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. En résumé, les résultats obtenus mettent en évidence un déséquilibre de la balance sympathovagale entre les patients symptomatiques et asymptomatiques et montrent l’utilité des indices de variabilité cardiaque pour la classification des patients en fonction de la symptomatologie. Les résultats obtenus sont cohérents avec la littérature, rapportant un tonus vagal plus élevé, ainsi qu’une activité sympathique, variabilité et complexité cardiaques plus faibles, chez les patients symptomatiques. Des études précédentes ont rapporté que la plupart des événements cardiaques majeurs se produisent au repos et pendant le sommeil, ainsi que l’apparition des altérations électrocardiographiques caractéristiques du BS augmente avec la stimulation vagale. Les résultats obtenus pendant la nuit, lorsque l’activité parasympathique est prédominante, ont montré des résultats particulièrement pertinents pour la différentiation des populations de patients. De plus, étant donnée qu’il existe une activité parasympathique significativement plus élevée chez les patients symptomatiques pendant les tests d’exercice et d’orthostatisme par rapport aux sujets asymptomatiques, les résultats soulignent le rôle de l’analyse du tonus vagal pour la stratification du risque dans cette population. Enfin, l’analyse basée sur un modèle du système cardiovasculaire a permis de mettre en évidence des différences concernant les propriétés diastoliques cardiaques et la réponse du baroréflexe pendant le test d’orthostatisme. L’ensemble des résultats de la thèse permet une meilleure caractérisation des profils autonomiques des patients atteints du syndrome de Brugada et laisse envisager une amélioration de la sélection des patients pour implantation d’un DI.Postprint (published version

Analysis of the cardiovascular response to autonomic nervous system modulation in Brugada syndrome patients

Brugada syndrome (BS) is a genetic arrhythmogenic disease characterized by a distinctive electrocardiographic pattern, associated with a high risk for sudden cardiac death (SCD) due to ventricular fibrillation (VF) in absence of structural cardiopathies. Its complex and multifactorial nature turns risk stratification into a major challenge. Although variations in autonomic modulation are commonly related to arrhythmic events in this population, novel markers with higher predictive values are still needed so as to identify those patients at high risk. The autonomic function can be better characterized through the application of standardized maneuvers stimulating the autonomic nervous system (ANS), such as exercise testing or the head-up tilt (HUT) test. Therefore, in this PhD thesis a thorough evaluation of the cardiovascular response to ANS modulations overnight is proposed, as well as in response to exercise and HUT testing, on a clinical database composed of BS patients with different levels of risk (symptomatic and asymptomatic subjects). In this context, the autonomic function was assessed by three main approaches. First, through the characterization and comparison of previously described methods capturing heart rate complexity, baroreflex sensitivity, and non-stationary heart rate variability, never before studied in the context of BS patients; in order to identify new markers capable of distinguishing between symptomatic and asymptomatic patients. According to the results, a lower variability and complexity overnight, as well as a higher vagal tone and a lower sympathetic activity both during exercise and HUT testing, was observed in the symptomatic group. In a second analysis, in order to address the multifactorial nature of the disease, a multivariate approach based on a step-based machine learning method was introduced. By employing features extracted at signal-processing analysis, robust classifiers capable of identifying patients at high risk were proposed. The classifier based on autonomic features extracted during nighttime analysis presented the best performance (AUC=95%), improving previously reported predictive models of risk in BS based on non-invasive parameters. Finally, the third part of this work was focused on the implementation of novel mathematical models and the associated model analysis methods, so as to study the autonomic mechanisms regulating the mechanical and circulatory functions of the cardiovascular system in this population. First, by the integration and evaluation of a computational model capturing the cardiovascular system's dynamics and its autonomic regulation in response to HUT testing. Likewise, a second model-based approach based on a recursive identification of the sympathetic and parasympathetic contributions to ANS regulation was proposed in order to estimate the time-varying autonomic response to exertion and subsequent recovery. The results showed a reduced contractility function, as well as a significantly greater parasympathetic activity during exercise, in symptomatic patients. Finally, in order to combine characteristics extracted from model-based approaches, a prospective study introduced a multivariate classifier based on estimated model parameters. Overall, the obtained results indicate important trends of clinical relevance that provide new insights into the underlying autonomic mechanisms regulating the cardiovascular system in BS, improving physiopathology and prognosis interpretation, with a potential future impact on therapeutic strategies. The proposed approach is presented as a potential instrument for the identification of those asymptomatic patients at high risk who may benefit from a cardioverter defibrillator implantation.El síndrome de Brugada (SB) es una enfermedad genética asociada a un patrón electrocardiográfico característico y a un elevado riesgo de muerte súbita cardíaca (MSC), causada por fibrilación ventricular (FV) en ausencia de cardiopatías estructurales. Debido a su naturaleza compleja y multifactorial, la estratificación del riesgo supone, en la actualidad, uno de los aspectos más controvertidos. Ciertas alteraciones en la modulación del sistema nervioso autónomo (SNA) se han relacionado con eventos arrítmicos en esta población; no obstante, nuevos marcadores con valores predictivos más elevados que permitan identificar a aquellos pacientes con un alto riesgo de sufrir MSC son todavía necesarios. El uso de maniobras estandarizadas con el objetivo de estimular el SNA permiten mejorar la caracterización de la función autonómica. Por ello, en esta tesis doctoral se propone una evaluación exhaustiva de la respuesta cardiovascular a la modulación del SNA durante la noche, así como en respuesta al ejercicio y a la prueba de mesa inclinada, en una base de datos clínicos compuesta por sujetos con diferentes niveles de riesgo (pacientes sintomáticos y asintomáticos). En este contexto, la evaluación de la función autonómica se llevó a cabo mediante tres estrategias principales. En primer lugar, se caracterizaron y compararon la variabilidad y complejidad del ritmo cardíaco, así como la sensibilidad barorrefleja, en pacientes sintomáticos y asintomáticos, con el objetivo de identificar nuevos marcadores capaces de distinguir entre grupos de pacientes. Los resultados mostraron, en el grupo sintomático, una menor variabilidad y complejidad durante la noche, así como un mayor tono vagal y una menor actividad simpática tanto durante el ejercicio como en respuesta a la prueba de mesa inclinada. En un segundo análisis, se abordó la etiología multifactorial del síndrome mediante un enfoque multivariado basado en un método de aprendizaje automático por etapas. A partir de marcadores extraídos en la etapa anterior, se propusieron modelos predictivos capaces de clasificar pacientes diagnosticados con SB en función de su nivel de riesgo. El mejor clasificador (AUC = 95%) fue diseñado a partir de marcadores autonómicos obtenidos durante la noche, superando modelos predictivos previamente descritos para la estratificación del riesgo en el SB a partir de la combinación de parámetros no invasivos. Finalmente, se analizaron las interacciones entre las funciones mecánica, circulatoria y autonómica de estos pacientes a partir de modelos fisiológicos. En primer lugar, mediante la implementación y evaluación de un modelo computacional integrando la dinámica del sistema cardiovascular y su respuesta autonómica a la prueba de mesa inclinada. Asimismo, se propuso la identificación recursiva de un modelo implementado para el análisis de la evolución temporal de las contribuciones simpática y parasimpática del SNA durante una prueba de esfuerzo. Los resultados mostraron una menor contractilidad, así como una actividad parasimpática significativamente mayor durante el ejercicio, en pacientes sintomáticos. Con el objetivo de combinar características extraídas del modelado fisiológico, un último estudio prospectivo propuso el diseño de un clasificador multivariado integrando los parámetros estimados en esta última etapa. Los resultados obtenidos indican importantes tendencias de relevancia clínica que aportan nuevos conocimientos sobre los mecanismos autonómicos encargados de regular el sistema cardiovascular en el SB. Su interpretación permite mejorar la estratificación del riesgo en estos pacientes y, por tanto, optimizar las estrategias terapéuticas aplicadas. La metodología propuesta se presenta como un instrumento para la identificación de aquellos pacientes con alto riesgo de MSC que podrían beneficiarse de la implantación de desfibriladores automáticos.Le syndrome de Brugada (BS) est une maladie cardiaque caractérisée par la survenue d’une syncope ou mort subite, provoquées par une arythmie cardiaque, chez les patients avec un coeur structurellement normal, mais présentant des altérations électrocardiographiques spécifiques. Cependant, ces modifications sont intermittentes et varient avec la température ou les traitements appliqués, ce qui rend particulièrement difficile le diagnostic chez un patient donné. En outre, elles sont fortement modulées par le système nerveux autonome (SNA), partie du système nerveux périphérique responsable de la régulation des organes internes. Les défibrillateurs implantables (DI) sont le traitement principal pour les patients symptomatiques, c’est-à-dire les patients documentés d’arythmie ventriculaire, syncope ou ayant survécu à un épisode de mort subite. Cependant, la décision d’implanter un DI peut être très difficile pour des patients asymptomatiques sans antécédents familiaux de morte subite. Dans ce contexte, l’objectif de la thèse était d’améliorer la compréhension de l’influence du SNA chez les patients souffrant du BS. Une méthodologie globale fusionnant traitement du signal, machine learning et modélisation a été proposée durant la thèse. Cette chaine de traitement originale a pu être mise en oeuvre sur trois bases de données de patients BS symptomatiques et asymptomatiques. Les bases de données cliniques utilisées dans ce travail sont le résultat d’une étude prospective, multicentrique dont l’objectif était de provoquer des modifications de l’activité du SNA chez les patients BS. L’acquisition des données s’est déroulée entre 2009 et 2013 dans le service de cardiologie du CHU de Rennes et les participants provenaient de 8 hôpitaux français situés à La Rochelle, Angers, Bordeaux, Brest, Nantes, Rennes, Poitiers et Tours. Afin de caractériser les patients présentant différents niveaux de risque, les participants ont été classés en patients symptomatiques et asymptomatiques, selon leurs historiques cliniques. Les patients symptomatiques devaient présenter les symptômes documentés suivants : arrêt cardiaque dû à une fibrillation ventriculaire, syncopes, vertiges, palpitations et convulsions nocturnes. La base de données est constituée des ECG (12 dérivations) de 87 patients, collectés pendant 24 heures, incluant un test d’orthostatisme (tilt-test) et une épreuve d’effort. L’acquisition était réalisée à l’aide d’un moniteur Holter (ELA medical, Sorin Group, Le Plessis Robinsson, France) à une fréquence d’échantillonnage de 1000 Hz. Par ailleurs, des tilt-tests ont été réalisés sur 32 patients en mesurant de manière non-invasive la pression artérielle et l’ECG avec le moniteur Task Force (CN Systems, Graz, Autriche) à une fréquence d’échantillonnage de 100 Hz et 1000 Hz, respectivement. Des signaux ECG à 12 dérivations échantillonnés à 1000 Hz ont été acquis chez 36 autres patients BS lors d’un test d’exercice avec le moniteur ECG (Cardionics, Webster, Texas). Par conséquent, l’analyse de l’activité du système nerveux autonome est basée sur 3 périodes différentes : 1) une épreuve d’effort, 2) un test d’orthostatisme (tilt-test) et 3) un recueil de données pendant la nuit. La réponse du système nerveux autonome, à ces trois tests, a tout d’abord été évaluée avec des méthodes d’estimation du gain du baroréflexe, de variabilité et de complexité cardiaque. L’une des difficultés du traitement des signaux associés à l’épreuve d’effort et au test d’orthostatisme réside dans leurs natures non-stationnaires. L’analyse spectrale de ces signaux nécessite la mise en oeuvre d’outils spécifiques permettant de décrire une évolution temporelle des caractéristiques fréquentielles. Des analyses temps-fréquence, basées sur la transformée de Wigner-Ville, ont ainsi été utilisées afin d’étudier conjointement, le contenu spectral des signaux, et leurs évolutions temporelles. Cependant, ces méthodes classiques d’analyse de la variabilité cardiaque ne permettent pas de capturer la non-linéarité de la dynamique cardiovasculaire. Ainsi, des méthodes spécifiques d’analyse de la complexité des séries cardiaques ont pu être utilisées. La sensibilité du baroréflexe de ces patients a été évaluée à partir de différentes méthodes proposées dans la littérature. Une série d’indices a ainsi été déduite des signaux avant d’être analysée pour trouver des différences significatives entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. Les résultats ont mis en évidence que les indices calculés chez les patients symptomatiques sont associés à une baisse de la variabilité et de la complexité cardiaque pendant la nuit. Par ailleurs, pendant le test d’exercice, les patients symptomatiques ont montré une activité vagale augmentée et un tonus sympathique réduit. Lors de la réponse au tilt-test, les patients symptomatiques ont présenté une augmentation du tonus parasympathique et une réduction de l’équilibre sympatho-vagal par rapport aux patients asymptomatiques. L’étiologie multifactorielle du BS nécessite l’utilisation d’approches complexes capables de capturer les multiples mécanismes sous-jacents à la maladie. Ainsi, une analyse multivariée a été réalisée à partir de la série d’indices calculés précédemment. L’approche globale, basée sur des méthodes de machine learning, permet de combiner de manière optimale les indices autonomiques extraits précédemment, afin de concevoir des classificateurs capables de différencier les patients BS, en fonction de leur symptomatologie. La sélection de ces indicateurs autonomiques, permettant une meilleure caractérisation du BS, peut être difficile surtout lorsque le nombre de sources dépasse la quantité d’observations et que les variabilités entre patients sont significatives. Ainsi, une approche robuste basée sur un processus de sélection de paramètres en deux étapes a été mise en oeuvre. La méthodologie proposée a été optimisée, évaluée et comparée sur les données extraites lors de différents tests autonomiques. Les résultats montrent que le meilleur classificateur (AUC = 95%) a été conçu à partir de marqueurs autonomiques obtenus pendant la nuit, améliorant des modèles prédictifs décrits précédemment pour la stratification du risque dans le BS à partir de la combinaison de paramètres non invasifs. Bien que l’analyse multivariée proposée montre une amélioration des performances de classification par rapport à la littérature, les méthodes utilisées n’intègrent pas de connaissance physiologique dans le traitement des données. Or le BS étant une pathologie complexe et multifactorielle, l’utilisation de modèles mathématiques de connaissance peut s’avérer pertinente car cela permet l’intégration d’information physiologique dans le traitement des données et l’analyse de mécanismes sous-jacents qui sont difficiles ou impossibles à observer en clinique avec des méthodes non-invasives, comme le tonus vagal ou sympathique. Une analyse à base de modèle a été proposée durant la thèse afin : 1) d’étudier la réponse autonomique et hémodynamique au test d’orthostatisme chez des sujets sains et des patients BS, 2) de simuler les réponses vagales et sympathiques durant l’épreuve d’effort chez les patients BS symptomatiques et asymptomatiques. Concernant l’étude de la réponse au test d’orthostatisme, un modèle a été proposé de manière à intégrer les représentations : i) de l’activité électrique cardiaque, ii) de la mécanique des ventricules et des oreillettes, iii) des circulations systémique et pulmonaire et iv) du baroréflexe incluant les voies vagale et sympathique. Le modèle complet permet de simuler les réponses hémodynamiques et autonomiques au test d’orthostatisme. Des analyses de sensibilité, basées sur des méthodes globales et de criblage, ont mis en évidence l’importance de certains paramètres du baroréflexe et en lien avec la description des propriétés diastoliques des ventricules. Ces paramètres ont pu être identifiés, à l’aide d’algorithmes évolutionnaires, afin de créer des modèles spécifiques-patients de 8 sujets sains et 12 patients BS. Les résultats ont montré des différences significatives concernant la réponse sympathique au tilt-test entre sujets sains et BS. Par ailleurs, les patients symptomatiques et asymptomatiques sont associés des modifications significatives des paramètres diastoliques ventriculaires. Concernant les simulations de la réponse autonomique durant l’épreuve d’effort, un algorithme d’identification récursif a pu être mis en oeuvre sur un modèle composé des cavités cardiaques, des circulations systémique et pulmonaire, couplées au baroréflexe. L’identification récursive réalisée sur le modèle a permis une estimation des activités vagale et sympathique durant l’effort chez 13 patients BS symptomatiques et 31 asymptomatiques. Les patients symptomatiques ont montré une élévation significative de l’activité vagale, spécialement à la fin de l’échauffement. Les analyses réalisées sur les modèles proposés, concernant le test d’orthostatisme et l’épreuve d’effort, ont permis une exploration de variables physiologiques, difficilement observables. Les résultats obtenus avec les modèles mettent en évidence des modifications de la réponse hémodynamique cardiaque et confirment des modifications de la balance sympatho-vagale entre les patients symptomatiques et asymptomatiques. En résumé, les résultats obtenus mettent en évidence un déséquilibre de la balance sympathovagale entre les patients symptomatiques et asymptomatiques et montrent l’utilité des indices de variabilité cardiaque pour la classification des patients en fonction de la symptomatologie. Les résultats obtenus sont cohérents avec la littérature, rapportant un tonus vagal plus élevé, ainsi qu’une activité sympathique, variabilité et complexité cardiaques plus faibles, chez les patients symptomatiques. Des études précédentes ont rapporté que la plupart des événements cardiaques majeurs se produisent au repos et pendant le sommeil, ainsi que l’apparition des altérations électrocardiographiques caractéristiques du BS augmente avec la stimulation vagale. Les résultats obtenus pendant la nuit, lorsque l’activité parasympathique est prédominante, ont montré des résultats particulièrement pertinents pour la différentiation des populations de patients. De plus, étant donnée qu’il existe une activité parasympathique significativement plus élevée chez les patients symptomatiques pendant les tests d’exercice et d’orthostatisme par rapport aux sujets asymptomatiques, les résultats soulignent le rôle de l’analyse du tonus vagal pour la stratification du risque dans cette population. Enfin, l’analyse basée sur un modèle du système cardiovasculaire a permis de mettre en évidence des différences concernant les propriétés diastoliques cardiaques et la réponse du baroréflexe pendant le test d’orthostatisme. L’ensemble des résultats de la thèse permet une meilleure caractérisation des profils autonomiques des patients atteints du syndrome de Brugada et laisse envisager une amélioration de la sélection des patients pour implantation d’un DI

Machine learning techniques for the prediction of systolic and diastolic blood pressure utilising the photoplethysmogram

Blood pressure (BP) is one of the four primary vital signs that provides important information regarding patients' cardiovascular system conditions. Continuous and regular blood pressure monitoring is essential for the early diagnosis, prevention and management of cardiovascular disease (CVD) and haemodynamic diseases (hypertension and hypotension). Current clinical blood pressure measurement techniques are either invasive or cuff-based, which can be impractical, intermittent, and uncomfortable for patients during frequent measurements. Considering these challenges, several studies have suggested new non-invasive and cuffless blood pressuring measurement techniques using physiological signals, such as, the Electrocardiogram (ECG) and the Photoplethysmogram (PPG). In particular, indirect cuffless BP measurement techniques using pulse transit time and pulse arrival time have been extensively investigated over the last few decades. However, these techniques require two measurement sensors, frequent calibration, and hence, they are also impractical and inconvenient for continuous BP measurements. More recently, with the advancement of computational techniques, including machine learning and artificial intelligence, a new simple and innovative approach using only PPG signals have been proposed in the literature for cuffless and continuous monitoring of blood pressure. However, the majority of these studies have been unable to achieve acceptable accuracies that comply or satisfy the international standards for cuffless BP monitoring. Thus, further investigations are required to realise this approach. In this research, a total of 52 features have been extracted from the PPG and their individual impact on BP have been rigorously evaluated using several statistical and machine learning techniques. As a result, only the most important features for estimation of BP were selected, effectively reducing the input vector by more than half. Two datasets were created to accommodate the two input feature vectors. The PPG and reference BP signals were derived from the publicly available MIMIC II database. In order to estimate BP, a total of nine machine learning and neural network models have been implemented and evaluated on the two datasets. Out of the nine models, four are widely used classical machine learning models, and five neural network models, three of which are conventional models and two advanced models have been proposed for BP estimation using only one PPG signal. The results of all these models have also been compared against well established studies in the literature. The results obtained using the classical machine learning models, namely, multilinear regression, random forest, adaboost and support vector machine, were poor and inferior to all the neural network models. A slight performance improvement was achieved using the non-recurrent multi-layer perceptron, however, the error was still much higher than the internationally acceptable range. On the other hand, a significant improvement was achieved for the first time by using the recurrent neural network models, namely, Long Short-Term Memory (LSTM) and Gated Recurrent Units (GRU). The two proposed neural network models further enhanced the BP estimation accuracies and were able to reduce the mean absolute error (MAE) to a range below 5 mmHg. In particular, the best performing model was the one bidirectional GRU layer, followed by two unidirectional GRU layers, and an attention layer. The obtained MAE and standard deviation (SD) were 4.79+/-8.08 mmHg for systolic BP (SBP) and 2.77+/-4.72 mmHg for diastolic BP (DBP). Furthermore, the DBP estimation were well below the internationally acceptable limits (referring to the AAMI standards of mean error (ME), ME+/-SD less than 5+/-8), while the ME for the SBP estimation were acceptable but the SD exceeded the limits by only 1.34 mmHg. This research has successfully demonstrated that advanced neural network models can be used for the non-invasive and cuffless prediction of BP utilising the PPG

Placental abnormalities and hypertension in pregnancy

Preeclampsia is a significant and common complication of pregnancy, with characteristic signs of hypertension and proteinuria. Current theories postulate a role for altered placental perfusion as a consequence of abnormal placental development in the aetiology of preeclampsia. Animal models of human preeclampsia have shown that an imbalance of the inflammatory cytokine TNF-α leads to a similar maternal phenotype as seen with a surgical reduction of placental perfusion pressure. This suggests a role for the inflammatory response in generating the maternal signs of hypertension and proteinuria. Currently, there is no direct link showing that a cytokine imbalance (specifically increased TNF-) affects placental development in such a way as to result in altered blood flow. The ability to detect morphological changes and alterations in blood flow in experimental models of preeclampsia would provide a significant boost in our understanding of the syndrome. The aim of this study was to develop an “imbalance in pro-inflammatory cytokine (TNF-α)” experimental mouse model of preeclampsia and to utilize magnetic resonance imaging (MRI) for visualization of placental anatomy and for the analysis of changes in tissue morphology and function including blood flow and perfusion. Secondly, this study aimed to examine the relationship between; an imbalance in inflammatory cytokines; changes in placental markers involved in inflammation, hypoxia and pH homeostasis; and changes in blood flow in the aetiology of the maternal hypertensive response. Pregnant C57BL/6JArc mice were subject to either reduced utero-placental perfusion (RUPP), subcutaneous infusion of the inflammatory cytokine TNF-α, or control procedures. Blood pressure was measured by either tail cuff sphygmomanometry or by telemetry. Urine was collected to measure proteinuria and blood was collected to measure levels of the anti-angiogenic molecule soluble fms-like tyrosine kinase 1 (sFlt-1), a biomarker of the human disease. MRI images were acquired on anaesthetised mice on day 17 of gestation using a Bruker Avance 11.7 Tesla wide-bore spectrometer. Quantitative analysis of changes in T2 relaxation measurements were carried out by using Matlab™ to generate R2 (i.e., 1/T2) maps from the acquired T2 measurement data, with the T2 values being calculated from selected regions of interest. Additional high resolution MRI images were acquired on formalin fixed, Magnevist™ contrast agent infused placenta. Placentas were harvested on day 17 of pregnancy, either formalin fixed and paraffin embedded for histology or snap frozen for proteomics and genomics. Histology was performed on sections using either Haematoxylin and Eosin (H&E) or Periodic acid-Schiff (PAS) stains. Immunohistochemistry using secondary anti rabbit horse radish peroxidise linked polymer and visualising with DAB, or quantitative immunofluorescent histochemistry using Alexa 488 goat anti-rabbit IgG was performed using primary antibodies to Cytokeratin (trophoblast marker), HIF-1a (Hypoxia inducible transcription factor 1), CLIC-3 (chloride intracellular channel 3; Cl-/H+ co-transporter) and TLR-3 and TLR-4 (Toll-like receptor 3 and 4). Quantitative PCR (qPCR) was used to measure mRNA expression of mFlt-1, sFlt-1, hif-1, tlr-3, tlr-4, clic-3 and clic-4 in placental tissue. This thesis demonstrates that infusion of the inflammatory cytokine (TNF-α) is an experimental model for hypertension and proteinuria in murine pregnancy. Hypertension in the RUPP model was not definitively confirmed despite the proteinuria. No increase in sFlt-1 above the constitutively high levels of normal pregnancy was detected in the maternal serum of either model, suggesting sFlt-1 is not a reliable marker for disease in the mouse model. This thesis demonstrates that that morphologically distinct regions of the mouse placenta can be detected and quantified by MRI. Mapping of T2 relaxation times ,which are attenuated by both hypoxia (increased levels of deoxyhaemoglobin) and acidosis (increase in free protons), indicate contrast between regions which is is lost when blood flow ceases. Similar decrease in contrast is detected upon T2 mapping in the placentas of both the artificially reduced perfusion (RUPP) and imbalance of inflammatory cytokines (TNF-α) experimental models. Immunohistochemistry and qPCR detected increases in the presence of molecules involved in response to both inflammation (TLR-3 and TLR-4) and changes in oxygen (HIF-1α) and pH (CLIC-3) levels in placentas from animals subject to either TNF-α infusion or RUPP. These results demonstrate for the first time that morphological differences or abnormalities related to blood flow can be detected by T2 mapping in the placenta of mice subject to experimental models of preeclampsia and may be used to analyse changes quantitatively. This technology has the potential to be used when studying the dynamic changes in the placenta of pregnancies complicated by preeclampsia. Analysis of the MRI images suggests changes involve both increases in deoxyhaemoglobin (hypoxia) and decreases in intracellular pH (acidosis) and suggests that pH dependent mechanisms may be as equally important as hypoxia in the perturbed placenta. The results also indicate that the metabolic changes in the placenta in response to both decreased blood flow and TNF-α infusion involve upregulation of both TLR-3 and TLR-4 protein expression and upregulation of HIF-1α mRNA and protein. Alterations in expression and localisation of the H+/Cl- co transporter CLIC-3 was demonstrated in the placenta after TNF-α infusion, consistent with the metabolic change observed by MRI. Inflammation-driven changes in both oxygen and pH-dependent signalling pathways are thus implicated in alterations of the complex metabolic pathways of homeostasis and angiogenesis in the placenta that lead to the subsequent maternal hypertensive response

Comparison of Machine Learning Techniques for Mortality Prediction in a Prospective Cohort of Older Adults

As global demographics change, ageing is a global phenomenon which is increasingly of interest in our modern and rapidly changing society. Thus, the application of proper prognostic indices in clinical decisions regarding mortality prediction has assumed a significant importance for personalized risk management (i.e., identifying patients who are at high or low risk of death) and to help ensure effective healthcare services to patients. Consequently, prognostic modelling expressed as all‐cause mortality prediction is an important step for effective patient management. Machine learning has the potential to transform prognostic modelling. In this paper, results on the development of machine learning models for all‐cause mortality prediction in a cohort of healthy older adults are reported. The models are based on features covering anthropometric variables, physical and lab examinations, questionnaires, and lifestyles, as well as wearable data collected in free‐living settings, obtained for the “Healthy Ageing Initiative” study conducted on 2291 recruited participants. Several machine learning techniques including feature engineering, feature selection, data augmentation and resampling were investigated for this purpose. A detailed empirical comparison of the impact of the different techniques is presented and discussed. The achieved performances were also compared with a standard epidemiological model. This investigation showed that, for the dataset under consideration, the best results were achieved with Random Under‐ Sampling in conjunction with Random Forest (either with or without probability calibration). However, while including probability calibration slightly reduced the average performance, it increased the model robustness, as indicated by the lower 95% confidence intervals. The analysis showed that machine learning models could provide comparable results to standard epidemiological models while being completely data‐driven and disease‐agnostic, thus demonstrating the opportunity for building machine learning models on health records data for research and clinical practice. However, further testing is required to significantly improve the model performance and its robustness

Calibrating PPG Based Blood Pressure Estimation Model Using Convolutional Neural Networks

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 산업공학과, 2023. 2. 이경식.광용적맥파(photoplethysmography, 이하 PPG) 신호를 이용한 혈압 추정은 광학적인 방법을 통해 비침습적으로 수집된 생체 신호로부터 혈압을 추정하는 연구 분야이다. 신호의 수집 및 분석이 용이하기 때문에 PPG 신호를 이용한 혈압 추정은 일상생활 속에서 사용자의 불편함 없이 연속적으로 혈압을 추정할 수 있다는 장점이 있다. 최근에는 딥러닝 기법들을 활용하여 end-to-end 방식으로 PPG 신호로부터 혈압을 추정하는 연구들이 제안되고 있는데, 서로 다른 환자를 구분할 수 있게 해주는 환자 보정(calibration)이 혈압 추정 성능을 크게 개선하지만 이에 초점을 맞춘 연구는 많지 않은 상황이다. 본 논문에서는 환자 보정을 위한 데이터를 입력으로 함께 사용하는 합성곱 신경망 모델을 제안한다. 보정을 위한 데이터로는 동일한 환자에게서 수집된 4초의 PPG 신호와 정답 혈압을 이용한다. 이 환자 보정 방법은 1) 보정을 위해 필요한 데이터가 적고, 2) 서로 다른 환자의 혈압을 단일 모델로 추정할 수 있으며, 3) 새로운 대상의 혈압을 추정할 때도 하나의 보정 데이터만을 필요로 한다는 장점이 있다. 나아가 합성곱 신경망 모델이 더 나은 보정 데이터 표현(representation)을 얻을 수 있도록 손실 함수를 개선했다. 동일한 환자에게서 수집된 PPG 신호를 긍정적인 관계로 정의하는 자기 지도 손실 함수를 도입했고, 도입한 손실 함수와 지도 손실 함수의 가중 합을 손실 함수로 이용했다. 그 결과, 혈압 추정 성능이 향상되는 것을 확인했다. 그뿐만 아니라, 합성곱 신경망 모델이 강건해질 수 있도록 PPG 신호에 적용할 수 있는 5가지 데이터 증강 기법들을 도입했다. 각 방법을 이용해 학습 데이터셋을 20% 늘려주었을 때 혈압 추정 성능이 어떻게 변화하는지 확인한 결과, 4가지 데이터 증강 기법에서 혈압 추정 성능이 향상되었다. 최종적으로, 개선된 손실함수를 활용하고 랜덤한 시간 영역을 마스킹하는 데이터 증강 기법을 이용하여 합성곱 신경망 모델을 학습했을 때, 수축기 혈압 평균 절대 오차 7.930mmHg, 이완기 혈압 평균 절대 오차 4.593mmHg의 혈압 추정 성능을 보였다.Blood pressure estimation using PPG signals is a research field that estimates blood pressure from PPG signals collected non-invasively through optical methods. Unlike existing blood pressure estimation methods, it can estimate blood pressure continuously without user inconvenience in daily life. Recently, using deep learning techniques, studies to estimate blood pressure from the PPG signal itself in an end-to-end manner have been proposed. Although patient calibration, which allows different patients to be distinguished, has significantly improved blood pressure estimation performance, there are not many studies focusing on this. In this paper, we propose a convolutional neural network model that uses patient calibration data as input. Calibration data consist of a PPG signal of 4 seconds and blood pressure collected from the same patient. This patient calibration method has the advantage of 1) less data needed for calibration, 2) can estimate different patients blood pressure with a single model, and 3) require only one calibration data to estimate unseen patients blood pressure. Furthermore, we modified the loss function so that convolutional neural network models can obtain better calibration data representation. We introduced a self-supervised loss function that defines PPG signals collected from the same patient as positive relation and it improved the blood pressure estimation performance. In addition, we introduced five data augmentation techniques applicable to PPG signals to make more robust convolutional neural network model. We increased the train dataset by 20% using each method and the blood pressure estimation performance is improved in four data augmentation techniques. Finally, when we trained the convolutional neural network model using the modified loss function and time masking augmentation technique, it achieved mean absolute error in the systolic and diastolic blood pressure of 7.930 mmHg and 4.593 mmHg respectively.제 1 장 서론 1 1.1 연구 배경 및 동기 1 1.2 연구 목적 3 1.3 문제 정의 4 1.4 논문 구성 6 제 2 장 배경 이론 및 관련 연구 7 2.1 배경 이론 7 2.1.1 합성곱 신경망 7 2.1.2 Photoplethysmography 10 2.2 관련 연구 12 2.2.1 맥파 속도 기반의 연구 12 2.2.2 맥파 분석을 통한 연구 14 제 3 장 합성곱 신경망을 이용한 혈압 추정 기법 16 3.1 데이터 전처리 16 3.2 합성곱 신경망 모델 구조 20 3.3 BYOL을 결합한 합성곱 신경망 모델 구조 23 3.4 데이터 증강 25 제 4 장 실험 결과 28 4.1 데이터셋 28 4.2 실험 세팅 32 4.3 실험 결과 33 4.3.1 환자 보정 유무에 따른 성능 비교 33 4.3.2 제안 모델 효과 검증 36 4.3.3 데이터 증강 40 제 5 장 결론 41 5.1 결론 41 5.2 향후 연구 43 참고문헌 45 Abstract 51석

Machine learning algorithm development of SPO2 sensor for improved robustness in wearables

Wearable devices application in the digital measurement of health has gained attention by researchers. These devices allow for data acquisition during real-life activities, resulting in higher data availability. They often include photoplethysmography (PPG) sensors, the sensor behind pulse oximetry. Pulse oximetry is a non-invasive method for continuous oxygen saturation (SpO2) measurements, a standard monitor for anesthesia procedures, an essential tool for managing patients undergoing pulmonary rehabilitation and an effective method for assessing sleep-disordered breathing. However, the current market focuses on heart rate measurements and lacks the robustness of clinical applications for SpO2 assessment. In addition, the most common obstacle in PPG measurements is the signal quality, especially in the form of motion artifacts. Thus, this work aims at increasing the clinical robustness in this devices by evaluating its quality and then extracting relevant metrics. Firstly, a data acquisition protocol was developed, focused on acquiring data during daily activities. This resulted in a dataset with different signal qualities, which was manually annotated to be used as the base for the Machine Learning models. A second protocol was also developed especially designed for the extraction of the SpO2 measurement. Several Machine Learning models were developed to evaluate the signal in three distinct qualities (corrupted, suboptimal, optimal) in real time. A Random Forest classifier achieved accuracies of 79% and 80% for the binary models capable of differentiating between usable and unusable signals, and accuracies of 74% and 80% when distinguishing between optimal and suboptimal signals, for the two utilized channels. The multi-class models achieved accuracies of 66% and 65% for the two utilized channels. Three clinically relevant metrics were also extracted from the PPG signal: heart rate, respiratory rate and SpO2. The heart rate and respiratory rate algorithms resulted in performances similar to the ones found in the literature and in other devices currently on the market. However, while promising, more data is needed to reach statistical significance for the SpO2 measurement.A monitorização do estado de saúde de pacientes em ambulatório utilizando dispositivos wearables tem vindo a ser cada vez mais investigada. Estes dispositivos permitem uma aquisição de dados durante o dia a dia, resultando num maior conjunto de dados. Frequentemente, estes dispositivos incluem fotopletismógrafos (PPG), o sensor por detrás da oximetria de pulso. A oximetria de pulso é um método não invasivo para a medição da saturação de oxigénio no sangue (SpO2) de forma contínua. É um equipamento padrão para procedimentos com anestesia, uma ferramenta essencial para monitorizar pacientes em reabilitação pulmonar e um método eficaz para avaliar respiração desordenada do sono. Ainda assim, o mercado atual foca-se principalmente em medições da frequência cardíaca e carece robustez para aplicações clínicas da medição de SpO2. Para além disso, o obstáculo mais comum em medições com PPG é a qualidade do sinal. Consequentemente, este trabalho procura melhorar a robustez clínica destes dispositivos analisando a qualidade do sinal e, posteriormente, extrair métricas relevantes. Primeiramente, foi desenvolvido um protocolo para aquisição de dados de atividades do dia a dia. Assim, foram adquiridos dados com diferentes qualidades, que foram avaliados manualmente de forma a servir de base para os vários modelos de Machine Learning. Também foi desenvolvido um segundo protocolo para a extração do valor de SpO2. Diferentes modelos de Machine Learning foram desenvolvidos para avaliar em tempo real a qualidade do sinal em três qualidades (corrompido, subótimo, ótimo) . Um classificador baseado em Random Forest atingiu exatidões de 79% e 80% em classificadores binários capazes de distinguir entre sinais úteis e inúteis, e exatidões de 74% e 80% a diferenciar entre um sinal subótimo e ótimo, para os dois canais usados. Os classificadores multi-classe atingiram exatidões de 66% e 65% para os dois canais usados. Três medidas clinicamente relevantes foram também extraídas do sinal de PPG: frequências cardíaca e respiratória, cujos algoritmos atingiram resultados semelhantes aos encontrados na literatura e em aparelhos no mercado, e SpO2 que, ainda que promissores, mais dados seriam necessários para os resultados serem estatisticamente significativo

Beta blocker dialyzability and effectiveness in chronic hemodialysis patients

Of the minimal information describing drug dialyzability, the majority was obtained prior to modern hemodialysis membranes. This study characterized the dialyzability of the most commonly prescribed beta blockers in patients undergoing high-flux hemodialysis. Eight subjects were recruited to a pharmacokinetic, 4-way crossover trial. Drug concentrations were measured using mass spectrometry and dialyzability determined by the arterial-venous difference and recovery clearance methods. A provincial-wide retrospective cohort study was designed to determine the effect of dialyzability on adverse clinical outcomes. Beta blocker efficacy can be hindered if substantial clearance occurs during dialysis. Our results demonstrate atenolol and metoprolol are extensively cleared during hemodialysis, while carvedilol displays low dialyzability. Although bisoprolol was previously considered to be minimally dialyzed, we now demonstrate moderate dialyzability. This highlights the importance of conducting dialyzability studies. With recent findings suggesting heightened mortality risk in hemodialysis patients prescribed highly dialyzed beta blockers, dialyzability data is critical to optimize pharmacotherapy