Heart beat variability analysis in perinatal brain injury and infection

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018Todos os anos, mais de 95 mil recém-nascidos são admitidos nas Unidades de Cuidados Intensivos Neonatais (UCIN) do Reino Unido, devido principalmente a partos prematuros ou outras complicações que pudessem ter ocorrido, como é o caso da encefalopatia hipóxico-isquémica (EHI), que assume 3% de todas as admissões nas unidades referidas. EHI é o termo que define uma complicação inesperada durante o parto, que resulta em lesões neurológicas a longo prazo e até em morte neonatal, devido à privação de oxigénio e fluxo sanguíneo ao recém-nascido durante o nascimento. Estima-se que tenha uma incidência de um a seis casos por 1000 nascimentos. Nos países desenvolvidos, a hipotermia é utilizada como método preventivo-terapêutico para esta condição. No entanto, existem dois grandes obstáculos para a obtenção da neuroprotecção pretendida e totalmente benéfica, na prática clínica. Em primeiro lugar, esta técnica é eficaz se for iniciada dentro de seis horas após o parto. Visto que o estado clínico da encefalopatia neonatal evolui nos dias posteriores ao nascimento, a sua deteção precoce é um grande desafio. Tal situação pode levar a diversos erros nas UCIN, tal como indivíduos sujeitos à terapia de hipotermia desnecessariamente, ou ainda mais grave, casos em que recém-nascidos foram inicialmente considerados como saudáveis, não tendo sido submetidos à terapia referida, apresentarem sinais de EHI após seis horas de vida. A segunda questão prende-se com o facto de a neuroprotecção poder ser perdida se o bebé estiver stressado durante o tratamento. Para além disso, não existe nenhuma ferramenta válida para a avaliação da dor dos recém-nascidos submetidos a esta terapia. Os obstáculos frisados anteriormente demonstram duas necessidades ainda não correspondidas: a carência de um método não invasivo e largamente adaptável a diferentes cenários para uma correta identificação de recém-nascidos com maior probabilidade de HIE, dentro de uma margem de seis horas após o parto, mas também um método preciso de stress em tempo real, não invasivo, que possa orientar tanto pessoal médico, como pais, de modo a oferecer um tratamento mais responsável, célere e individualizado. Deste modo, a análise do ritmo cardíaco demostra um enorme potencial para ser um biomarcador de encefalopatia neonatal, bem como um medidor de stress, através da eletrocardiografia (ECG), visto que é um importante indicador de homeostase, mas também de possíveis condições que podem afetar o sistema nervoso autónomo e, consequentemente, o equilíbrio do corpo humano. É extremamente difícil a obtenção de um parâmetro fisiológico, sem a presença de artefactos, especialmente no caso de recém-nascidos admitidos nas UCIN. Tanto no caso da aquisição de ECGs, como de outros parâmetros, existe uma maior probabilidade de o sinal ser corrompido por artefactos, visto que são longas aquisições, normalmente dias, onde o bebé é submetido a diversas examinações médicas, está rodeado de equipamentos eletrónicos, entre outros. Artefactos são definidos como uma distorção do sinal, podendo ser causados por diversas fontes, fisiológicas ou não. A sua presença nos dados adquiridos influencia e dissimula as informações corretas e reais, podendo mesmo levar a diagnósticos e opções terapêuticas erradas e perigosas para o paciente. Apesar de existirem diversos algoritmos de identificação de artefactos adequados para o sinal cardíaco adulto, são poucos os que funcionam corretamente para o de recém-nascido. Para além disso, é necessário bastante tempo tanto para o staff clínico, como para os investigadores, para o processo de visualização e identificação de artefactos no eletrocardiograma manualmente. Deste modo, o projeto desenvolvido na presente dissertação propõe um novo algoritmo de identificação e marcação de artefactos no sinal cardíaco de recém-nascidos. Para tal, foi criado um modelo híbrido de um método que tem em consideração todas as relações matemáticas de batimento para batimento cardíaco, com outro que tem como objetivo a remoção de spikes no mesmo sinal. O algoritmo final para além de cumprir com o objetivo descrito acima, é também adaptável a diferentes tipos de artefactos presentes no sinal, permitindo ao utilizador, de uma forma bastante intuitiva, escolher o tipo de parâmetros e passos a aplicar, podendo ser facilmente utilizado por profissionais de diferentes áreas. Deste modo, este algoritmo é uma mais-valia quando aplicado no processamento de sinal pretendido, evitando assim uma avaliação visual demorada de todo o sinal. Para obter a melhor performance possível, durante o desenvolvimento do algoritmo foram sempre considerados os resultados de validação, tais como exatidão, sensibilidade, entre outros. Para tal, foram analisados e comparados eletrocardiogramas de 4 recém-nascidos saudáveis e 4 recém-nascidos com encefalopatia. Todos possuíam aproximadamente 5 horas de sinal cardíaco adquirido após o nascimento, com diferentes níveis de presença de artefactos. O algoritmo final, obteve uma taxa de sensibilidade de 96.2% (±2.4%) e uma taxa de exatidão de 92.6% (±3.2%). Como se pode verificar pelos valores obtidos, o algoritmo obteve percentagens altas nos vários parâmetros de classificação, o que significa uma deteção correta. A taxa de exatidão apresenta um valor mais baixo, comparativamente ao parâmetro da sensibilidade, pois em diversas situações, normalmente perto de artefactos, os batimentos normais são considerados como artefactos, pelo algoritmo. Contudo, essa taxa não é alarmante, tendo sido considerada uma taxa reduzida, pelo pessoal médico. Após o processamento do sinal cardíaco dos grupos mencionados acima, um estudo comparativo, utilizando parâmetros da variabilidade do ritmo cardíaco, foi realizado. Diferenças significativas foram encontradas entre os dois grupos, onde o saudável assumiu sempre valores maiores. SDNN e baixa frequência foram os parâmetros que traduziram uma diferença maior entre os dois grupos, com um p-value <0.01. De modo a corresponder ao segundo obstáculo referido nesta dissertação, outro objetivo desta tese foi a criação de um algoritmo que pudesse identificar e diferenciar uma situação de stress nesta faixa etária, com recurso ao ritmo cardíaco. Um estudo multidimensional foi aplicado aos diferentes métodos de entropia utilizados nesta tese (approximate entropy, sample entropy, multiscales entopy e fuzzy entropy) de modo a estudar como os diferentes métodos de entropia interagem entre si e quais são os resultados dessa relação, especialmente na distinção de estados normais e stressantes. Para tal, a utilização de clusters foi essencial. Dado que para todos os ECGs de bebés saudáveis analisados neste projeto foram registados todas as possíveis situações de stress, como é o caso de choro, examinações médicas, mudança de posição, entre outros, foram escolhidos 10 minutos do sinal do ritmo cardíaco adquirido, antes da situação, para análise. Infelizmente, associado a um evento stressante, na maioria dos casos encontra-se uma percentagem bastante alta do sinal corrompida por artefactos. No entanto, em alguns casos foi possível observar uma clara distinção de grupos de clusters, indicando que naquele período de tempo, houve uma mudança de estado. Foi também realizado um estudo intensivo de diversos métodos de entropia aplicados ao grupo de sujeitos apresentados nesta dissertação, onde foi provado que o método mais adequado a nível de diferenciação é a Fuzzy Entropy (p=0.0078). Ainda é possível sugerir alguns aspetos e apontar algumas limitações, no âmbito de poderem ser ultrapassadas no futuro. Em primeiro lugar, é necessária a aquisição de mais eletrocardiogramas, quer de recém-nascidos saudáveis, quer com encefalopatia hipóxico-isquémica, de modo a aumentar o tamanho da amostra e, deste modo diminuir os valores do desvio-padrão em todos os parâmetros calculados. Relativamente ao estudo do stress, seria interessante, com uma amostra maior, a definição de clusters, de modo a ter uma identificação precisa de situações stressantes. Para além disso, a transformação do software atualmente escrito em MATLAB para GUI (interface gráfica do utilizador), a fim de tornar mais acessível a sua utilização por profissionais de diversas áreas.In Neonatal Intensive Care Unit (NICU), the heart rate (HR) offers significant insight into the autonomic function of sick newborns, especially with hypoxic ischemic encephalopathy condition (HIE). However, the intensity of clinical care and monitoring contributes to the electrocardiogram (ECG) to be often noisy and contaminated with artefacts from various sources. These artefacts, defined as any distortion of the signal caused by diverse sources, being physiological or non-physiological features, interfere with the characterization and subsequent evaluation of the heart rate, leading to grave consequences, both in diagnostic and therapeutic decisions. Besides, its manual inspection in the ECG trace is highly time-consuming, which is not feasible in clinical monitoring, especially in NICU. In this dissertation, it is proposed an algorithm capable of automatically detect and mark artefacts in neonatal ECG data, mainly dealing with mathematical aspects of the heart rate, starting from the raw signal. Also, it is proposed an adjacent algorithm, using complexity science applied to HR data, with the objective of identifying stress scenarios. Periods of 10-minute ECG were considered from 8 newborns (4 healthy and 4 HIE) to the identification of stress situations, whereas for the artefacts removal algorithm small portions varying in time length according to the amount of noise present in the originally 5 hours long samples were utilised. In this report it is also present several comparisons utilising heart rate parameters between healthy and HIE groups. Fuzzy Entropy was considered the best method to differentiate both groups (p=0.00078). In this report, substantial differences in heart rate variability were found between healthy and HIE groups, especially in SDNN and low frequency (p<0.01), confirming results of previous literature. For the final artefact removal algorithm, it is illustrated significant differences between raw and post-processed ECG signals. This method had a Recall rate of 96.2% (±2.4%) and a Precision Rate of 92.6% (±3.2%), demonstrating high efficiency in ECG noise removal. Regarding stress measures, associated with a stressful event, in most cases there is a high percentage of the signal corrupted by artefacts. However, in some cases it was possible to see a clear distinction between groups of clusters, indicating that in that period, there was a change of state. Not all the time segments from subjects demonstrated differences in stress stages, indicating that there is still room for improvement in the method developed

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

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

Heart Rate Variability (HRV) analysis : a methodology for organizational neuroscience

Recently, the application of neuroscience methods and findings to the study of organizational phenomena has gained significant interest and converged in the emerging field of organizational neuroscience. Yet, this body of research has principally focused on the brain, often overlooking fuller analysis of the activities of the human nervous system and associated methods available to assess them. In this paper, we aim to narrow this gap by reviewing heart rate variability (HRV) analysis, which is that set of methods assessing beat-to-beat changes in the heart rhythm over time, used to draw inference on the outflow of the autonomic nervous system (ANS). In addition to anatomo- physiological and detailed methodological considerations, we discuss related theoretical, ethical, and practical implications. Overall, we argue that this methodology offers the opportunity not only to inform on a wealth of constructs relevant for management inquiries, but also to advance the organizational neuroscience research agenda and its ecological validity

VAR-AS, sustained attention detection system in the learning environment

This dissertation presents a system for monitoring heart rate variability (HRV) by electrocardiogram (ECG) and photoplethysmography (PPG) for the detection of attention state in a learning environment. The ECG and PPG signs were acquired and processed through the development of a multi-microcontroller embedded system. When the waves of these signals are extracted, the heart rate is calculated through the time intervals between the R peaks for the electrocardiogram and between the beats for photopletismography. Finally, in order to indicate the level of attention on the part of the user, an input was added in which the volunteer marks the periods he or she considers to be most attentive. This data is associated with a millisecond resolution time stamp and sent in real time via Internet WiFi to a database in the cloud. After this data is stored, the HRV is analysed based on algorithms developed with the Matlab tool. These algorithms allow the study of cardiac variability according to time and frequency domains and how non-linear HRV measurements were also considered. Finally, a module for measuring skin conductivity was added, relating it to the analysis of the level of stress during the learning process. In order to prove the reliability of the system, several volunteers were tested in real environments according to a stipulated protocol. These records were analysed as a starting point to classify situations of greater attention of the volunteer in an educational scenario.Esta dissertação apresenta um sistema de monitorização da variabilidade da frequência cardíaca (VFC) através da Eletrocardiograma (ECG) e Fotoplestimografria (PPG) para a deteção do estado de atenção num ambiente de aprendizagem. Os signais de ECG e PPG foram adquiridos e processados através do desenvolvimento de um sistema embebido multi-microcontrolador. Ao extrair-se as ondas destes sinais, calcula-se a frequência cardíaca através dos intervalos de tempo entre os picos R para o eletrocardiograma e entre os batimentos para a fotopletismografia. Por fim, para poder indicaro nível da atenção da parte do utente adicionou-se um input em que o voluntário marca os períodos que considera estar mais atento. Estes dados são associados a uma marca temporal com resolução ma base de dados na nuvém. Após o armazenamento destes dados, analisa-se a VFC com base em algoritmos desenvolvidos com a ferramenta Matlab. Estes algoritmos permitem estudar a variabilidade cardíaca segundo os domínios do tempo, da frequência e como tambem foram consideradas medidas VFC não lineares. Por fim, adicionou-se um módulo para a medição da condutividade da pele, relacionando-a com a avaliação do nível de stress durante o processo de aprendizagem. Para comprovar a fiabilidade do sistema realizaram-se testes a diversos voluntários em ambientes reais de acordo com um protocolo estipulado. Estes registos foram analisados como ponto de partida para classificar situações de maior atenção do voluntário perante um cenário educativo

Estimating spectral HRV features with missing data

Abstract. Physiological signals, ECG signal, have been widely used for diagnosis, disease identification and nowadays for self-monitoring. Missing data represents the problem in spectral analysis. This study focuses on the HRV power spectral analysis in frequency-domain using three methods with simulated missing data in real RR interval tachograms. Actual missing ECG data are collected from the unconstrained measurement. Parametric, Non-parametric and uneven sampling approach were used for calculating the power spectral density (PSD), and cubic spline interpolation method was used for the non-parametric method. Based on this studies outcome, the effect of missing R-R interval data and optimal method was observed through the simulated real R-R interval tachograms for missing data. About 0 to 6 percentage data were removed according to the exponential Poisson distribution from the real R-R interval data for normal sinus rhythm, atrial fibrillation, tachycardia and bradycardia patient which data obtained from MIT-BIH Arrhythmia database to simulate real-world packet loss. For this analysis, 5 min duration data were used in all and 1000 Monte Carlo runs is performed for certain percentage missing data. Power spectral density (PSD) corresponding each frequency component was estimated as the frequency-domain parameters in each run and error power percentage based on each element difference between with and without the missing data duration were calculated. In addition, this study revealed that power spectral entropy measurement from power spectral density which differentiates between different arrhythmias

Sleep Apnea Screening by Autoregressive Models From a Single ECG Lead

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Multimodal Signal Processing for Diagnosis of Cardiorespiratory Disorders

This thesis addresses the use of multimodal signal processing to develop algorithms for the automated processing of two cardiorespiratory disorders. The aim of the first application of this thesis was to reduce false alarm rate in an intensive care unit. The goal was to detect five critical arrhythmias using processing of multimodal signals including photoplethysmography, arterial blood pressure, Lead II and augmented right arm electrocardiogram (ECG). A hierarchical approach was used to process the signals as well as a custom signal processing technique for each arrhythmia type. Sleep disorders are a prevalent health issue, currently costly and inconvenient to diagnose, as they normally require an overnight hospital stay by the patient. In the second application of this project, we designed automated signal processing algorithms for the diagnosis of sleep apnoea with a main focus on the ECG signal processing. We estimated the ECG-derived respiratory (EDR) signal using different methods: QRS-complex area, principal component analysis (PCA) and kernel PCA. We proposed two algorithms (segmented PCA and approximated PCA) for EDR estimation to enable applying the PCA method to overnight recordings and rectify the computational issues and memory requirement. We compared the EDR information against the chest respiratory effort signals. The performance was evaluated using three automated machine learning algorithms of linear discriminant analysis (LDA), extreme learning machine (ELM) and support vector machine (SVM) on two databases: the MIT PhysioNet database and the St. Vincent’s database. The results showed that the QRS area method for EDR estimation combined with the LDA classifier was the highest performing method and the EDR signals contain respiratory information useful for discriminating sleep apnoea. As a final step, heart rate variability (HRV) and cardiopulmonary coupling (CPC) features were extracted and combined with the EDR features and temporal optimisation techniques were applied. The cross-validation results of the minute-by-minute apnoea classification achieved an accuracy of 89%, a sensitivity of 90%, a specificity of 88%, and an AUC of 0.95 which is comparable to the best results reported in the literature

Advanced Biometrics with Deep Learning

Biometrics, such as fingerprint, iris, face, hand print, hand vein, speech and gait recognition, etc., as a means of identity management have become commonplace nowadays for various applications. Biometric systems follow a typical pipeline, that is composed of separate preprocessing, feature extraction and classification. Deep learning as a data-driven representation learning approach has been shown to be a promising alternative to conventional data-agnostic and handcrafted pre-processing and feature extraction for biometric systems. Furthermore, deep learning offers an end-to-end learning paradigm to unify preprocessing, feature extraction, and recognition, based solely on biometric data. This Special Issue has collected 12 high-quality, state-of-the-art research papers that deal with challenging issues in advanced biometric systems based on deep learning. The 12 papers can be divided into 4 categories according to biometric modality; namely, face biometrics, medical electronic signals (EEG and ECG), voice print, and others