Symbolic Dynamics Analysis: a new methodology for foetal heart rate variability analysis

Cardiotocography (CTG) is a widespread foetal diagnostic methods. However, it lacks of objectivity and reproducibility since its dependence on observer's expertise. To overcome these limitations, more objective methods for CTG interpretation have been proposed. In particular, many developed techniques aim to assess the foetal heart rate variability (FHRV). Among them, some methodologies from nonlinear systems theory have been applied to the study of FHRV. All the techniques have proved to be helpful in specific cases. Nevertheless, none of them is more reliable than the others. Therefore, an in-depth study is necessary. The aim of this work is to deepen the FHRV analysis through the Symbolic Dynamics Analysis (SDA), a nonlinear technique already successfully employed for HRV analysis. Thanks to its simplicity of interpretation, it could be a useful tool for clinicians. We performed a literature study involving about 200 references on HRV and FHRV analysis; approximately 100 works were focused on non-linear techniques. Then, in order to compare linear and non-linear methods, we carried out a multiparametric study. 580 antepartum recordings of healthy fetuses were examined. Signals were processed using an updated software for CTG analysis and a new developed software for generating simulated CTG traces. Finally, statistical tests and regression analyses were carried out for estimating relationships among extracted indexes and other clinical information. Results confirm that none of the employed techniques is more reliable than the others. Moreover, in agreement with the literature, each analysis should take into account two relevant parameters, the foetal status and the week of gestation. Regarding the SDA, results show its promising capabilities in FHRV analysis. It allows recognizing foetal status, gestation week and global variability of FHR signals, even better than other methods. Nevertheless, further studies, which should involve even pathological cases, are necessary to establish its reliability.La Cardiotocografia (CTG) è una diffusa tecnica di diagnostica fetale. Nonostante ciò, la sua interpretazione soffre di forte variabilità intra- e inter- osservatore. Per superare tali limiti, sono stati proposti più oggettivi metodi di analisi. Particolare attenzione è stata rivolta alla variabilità della frequenza cardiaca fetale (FHRV). Nel presente lavoro abbiamo suddiviso le tecniche di analisi della FHRV in tradizionali, o lineari, e meno convenzionali, o non-lineari. Tutte si sono rivelate efficaci in casi specifici ma nessuna si è dimostrata più utile delle altre. Pertanto, abbiamo ritenuto necessario effettuare un’indagine più dettagliata. In particolare, scopo della tesi è stato approfondire una specifica metodologia non-lineare, la Symbolic Dynamics Analysis (SDA), data la sua notevole semplicità di interpretazione che la renderebbe un potenziale strumento di ausilio all’attività clinica. Sono stati esaminati all’incirca 200 riferimenti bibliografici sull’analisi di HRV e FHRV; di questi, circa 100 articoli specificamente incentrati sulle tecniche non-lineari. E’ stata condotta un’analisi multiparametrica su 580 tracciati CTG di feti sani per confrontare le metodologie adottate. Sono stati realizzati due software, uno per l’analisi dei segnali CTG reali e l’altro per la generazione di tracciati CTG simulati. Infine, sono state effettuate analisi statistiche e di regressione per esaminare le correlazioni tra indici calcolati e parametri di interesse clinico. I risultati dimostrano che nessuno degli indici calcolati risulta più vantaggioso rispetto agli altri. Inoltre, in accordo con la letteratura, lo stato del feto e le settimane di gestazione sono parametri di riferimento da tenere sempre in considerazione per ogni analisi effettuata. Riguardo la SDA, essa risulta utile all’analisi della FHRV, permettendo di distinguere – meglio o al pari di altre tecniche – lo stato del feto, la settimana di gestazione e la variabilità complessiva del segnale. Tuttavia, sono necessari ulteriori studi, che includano anche casi di feti patologici, per confermare queste evidenze

Indices of symbolic dynamic distribution in cardiac patients

Although symbolic dynamics analysis (SDA) has been proposed for encoding words of different length and symbols, the resulting rapidly growing number of patterns has limited its clinical use. Aim of this study is to propose new SDA indices tested on a clinical data-set. We studied 40 ECG Holter of normal (NR), post-MI (MI), heart failure (HF) and transplanted (TR) subjects. RR differences were encoded into 5 symbols, deriving 3, 5 and 7 length words classified by a dominance's criterion in pattern words with a predominant vagal content (V), decelerating content (D), accelerating content (A), sympathetic content (S) and without variability content (0). Their distributions were then quantified by Kurtosis an Chi-square indexes. Results showed an optimum word-length of 3, where both Kurtosis (2.2±0.6; 2.2±0.9; 3.1±0.9; 4.0±0.4) and Chi-square (7±5; 8±5; 26±17; 106±42, respectively for N, MI, HF and TR) showed very significant p<0,0001 values at the ANOVA test among groups, mainly discriminating HF and TR subject by Tukey's post-test. SDA is an helpful technique in interpreting the encoded HRV information. The pattern words distributions clearly tend to lose their tails to the worsening of the autonomic impairment as immediately described by Kurtosy or chi-square index, especially for risk stratification of HF patients