Electrocardiograph signal recognition using wavelet transform based on optimized neural network

Due to the growing number of cardiac patients, an automatic detection that detects various heart abnormalities has been developed to relieve and share physicians’ workload. Many of the depolarization of ventricles complex waves (QRS) detection algorithms with multiple properties have recently been presented; nevertheless, real-time implementations in low-cost systems remain a challenge due to limited hardware resources. The proposed algorithm finds a solution for the delay in processing by minimizing the input vector’s dimension and, as a result, the classifier’s complexity. In this paper, the wavelet transform is employed for feature extraction. The optimized neural network is used for classification with 8-classes for the electrocardiogram (ECG) signal this data is taken from two ECG signals (ST-T and MIT-BIH database). The wavelet transform coefficients are used for the artificial neural network’s training process and optimized by using the invasive weed optimization (IWO) algorithm. The suggested system has a sensitivity of over 70%, a specificity of over 94%, a positive predictive of over 65%, a negative predictive of more than 93%, and a classification accuracy of more than 80%. The performance of the classifier improves when the number of neurons in the hidden layer is increased

P Wave Detection in Pathological ECG Signals

Důležitou součástí hodnocení elektrokardiogramu (EKG) a následné detekce srdečních patologií, zejména v dlouhodobém monitorování, je detekce vln P. Výsledky detekce vln P umožňují získat ze záznamu EKG více informací o srdeční činnosti. Podle správně detekovaných pozic vln P je možné detekovat a odlišit patologie, které současné programy používané v medicínské praxi identifikovat neumožňují (např. atrioventrikulární blok 1., 2. a 3. stupně, cestující pacemaker, Wolffův-Parkinsonův-Whiteův syndrom). Tato dizertační práce představuje novou metodu detekce vln P v záznamech EKG během fyziologické a zejména patologické srdeční činnosti. Metoda je založena na fázorové transformaci, inovativních pravidlech detekce a identifikaci možných patologií zpřesňující detekci vln P. Dalším důležitým výsledkem práce je vytvoření dvou veřejně dostupných databází záznamů EKG s obsahem patologií a anotovanými vlnami P. Dizertační práce je rozdělena na teoretickou část a soubor publikací představující příspěvek autora v oblasti detekce vlny P.Accurate software for the P wave detection, mainly in long-term monitoring, is an important part of electrocardiogram (ECG) evaluation and subsequent cardiac pathological events detection. The results of P wave detection allow us to obtain more information from the ECG records. According to the correct P wave detection, it is possible to detect and distinguish cardiac pathologies which are nowadays automatically undetectable by commonly used software in medical practice (events e.g. atrioventricular block 1st, 2nd and 3rd degree, WPW syndrome, wandering pacemaker, etc.). This thesis introduces a new method for P wave detection in ECG signals during both physiological and pathological heart function. This novel method is based on a phasor transform, innovative rules, and identification of possible pathologies that improve P wave detection. An equally important part of the work is the creation of two publicly available databases of physiological and pathological ECG records with annotated P waves. The dissertation is divided into theoretical analysis and a set of publications representing the contribution of the author in the area of P wave detection.

MicroECG: an integrated platform for the cardiac arrythmia detection and characterization

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e ComputadoresO desenvolvimento de um pacote de software para lidar facilmente com electrocardiogramas de alta resolução tornou-se importante para pesquisa na área de electrocardiografia. O desenvolvimento de novas técnicas para detecção de potenciais tardios e outros problemas associados a arritmias cardíacas têm sido objecto de estudo ao longo dos anos. No entanto, ainda existe a lacuna de um pacote de software que facilmente permita implementar algumas destas inovadoras técnicas de uma forma integrada, possibilitando avaliar técnicas clássicas como o protocolo de Simson para a detecção de sinais não estacionários (potenciais tardios). Algumas destas inovadoras técnicas envolvem a detecção tempo-frequência usando escalogramas ou a análise espectral usando metodologias wavelet-packet, sendo implementadas no software desenvolvido com flexibilidade e versatilidade suficientes para que futuramente sirva de plataforma de pesquisa para o refinamento destas mesmas técnicas no que toca ao processamento de sinais de electrocardiogramas de alta resolução. O software aqui desenvolvido foi também desenhado de forma a suportar dois tipos de ficheiros diferentes provenientes de outros tantos sistemas de aquisição. Os sistemas suportados são o ActiveTwo da Biosemi e o USBamp da g.tec

Manifold analysis of the P-wave changes induced by pulmonary vein isolation during cryoballoon procedure

Background/Aim: In atrial fibrillation (AF) ablation procedures, it is desirable to know whether a proper disconnection of the pulmonary veins (PVs) was achieved. We hypothesize that information about their isolation could be provided by analyzing changes in P-wave after ablation. Thus, we present a method to detect PV disconnection using P-wave signal analysis. Methods: Conventional P-wave feature extraction was compared to an automatic feature extraction procedure based on creating low-dimensional latent spaces for cardiac signals with the Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP) method. A database of patients (19 controls and 16 AF individuals who underwent a PV ablation procedure) was collected. Standard 12-lead ECG was recorded, and P-waves were segmented and averaged to extract conventional features (duration, amplitude, and area) and their manifold representations provided by UMAP on a 3-dimensional latent space. A virtual patient was used to validate these results further and study the spatial distribution of the extracted characteristics over the whole torso surface. Results: Both methods showed differences between P-wave before and after ablation. Conventional methods were more prone to noise, P-wave delineation errors, and inter-patient variability. P-wave differences were observed in the standard leads recordings. However, higher differences appeared in the torso region over the precordial leads. Recordings near the left scapula also yielded noticeable differences. Conclusions: P-wave analysis based on UMAP parameters detects PV disconnection after ablation in AF patients and is more robust than heuristic parameterization. Moreover, additional leads different from the standard 12-lead ECG should be used to detect PV isolation and possible future reconnections better

Data Fusion for QRS Complex Detection in Multi-Lead Electrocardiogram Recordings

Heart diseases are the main cause of death worldwide. The first step in the diagnose of these diseases is the analysis of the electrocardiographic (ECG) signal. In turn, the ECG analysis begins with the detection of the QRS complex, which is the one with the most energy in the cardiac cycle. Numerous methods have been proposed in the bibliography for QRS complex detection, but few authors have analyzed the possibility of taking advantage of the information redundancy present in multiple ECG leads (simultaneously acquired) to produce accurate QRS detection. In our previous work we presented such an approach, proposing various data fusion techniques to combine the detections made by an algorithm on multiple ECG leads. In this paper we present further studies that show the advantages of this multi-lead detection approach, analyzing how many leads are necessary in order to observe an improvement in the detection performance. A well known QRS detection algorithm was used to test the fusion techniques on the St. Petersburg Institute of Cardiological Technics database. Results show improvement in the detection performance with as little as three leads, but the reliability of these results becomes interesting only after using seven or more leads. Results were evaluated using the detection error rate (DER). The multi-lead detection approach allows an improvement from DER = 3:04% to DER = 1:88%. Further works are to be made in order to improve the detection performance by implementing further fusion steps

Automatic detection of P, QRS and T patterns in 12 leads ECG signal based on CWT

International audienceIn this paper, a new method based on the continuous wavelet transform is described in order to detect the QRS, P and T waves. QRS, P and T waves may be distinguished from noise, baseline drift or irregular heartbeats. The algorithm, described in this paper, has been evaluated using the Computers in Cardiology (CinC) Challenge 2011 database and also applied on the MIT-BIH Arrhythmia database (MITDB). The data from the CinC Challenge 2011 are standard 12 ECG leads recordings with full diagnostic bandwidth compared to the MITDB which only includes two leads for each ECG signal. Firstly, our algorithm is validated using fifty 12 leads ECG samples from the CinC collection. The samples have been chosen in the "acceptable records" list given by Physionet. The detection and the duration delineation of the QRS, P and T waves given by our method are compared to expert physician results. The algorithm shows a sensitivity equal to 0.9987 for the QRS complex, 0.9917 for the T wave and 0.9906 for the P wave. The accuracy and the Youden index values show that the method is reliable for the QRS, T and P waves detection and delineation. Secondly, our algorithm is applied to the MITDB in order to compare the detection of QRS wave to results of other some works in the literature

Verification and comparison of MIT-BIH arrhythmia database based on number of beats

The ECG signal processing methods are tested and evaluated based on many databases. The most ECG database used for many researchers is the MIT-BIH arrhythmia database. The QRS-detection algorithms are essential for ECG analyses to detect the beats for the ECG signal. There is no standard number of beats for this database that are used from numerous researches. Different beat numbers are calculated for the researchers depending on the difference in understanding the annotation file. In this paper, the beat numbers for existing methods are studied and compared to find the correct beat number that should be used. We propose a simple function to standardize the beats number for any ECG PhysioNet database to improve the waveform database toolbox (WFDB) for the MATLAB program. This function is based on the annotation's description from the databases and can be added to the Toolbox. The function is removed the non-beats annotation without any errors. The results show a high percentage of 71% from the reviewed methods used an incorrect number of beats for this database

Biometric authentication and identification through electrocardiogram signals

Tese de Mestrado Integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Engenharia Clínica e Instrumentação Médica), 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de CiênciasO reconhecimento biométrico tem sido alvo de diversas investigações ao longo dos anos, sendo a impressão digital, a face e a iris, os traços biométricos mais explorados. Apesar do seu elevado potencial no que diz respeito a possíveis aplicações tecnológicas, alguns estudos apresentam limitações a estes traços biométricos, nomeadamente a falta de fiabilidade e praticidade num sistema biométrico. Recentemente, vários estudos exploraram o potencial do uso do electrocardiograma (ECG) como traço biométrico, por ser único e singular para cada indivíduo, e dificilmente roubado por outrem, por ser um sinal fisiológico. Nesta dissertação, foi investigada a possibilidade de usar sinais ECG como traço biométrico para sistemas de identificação e autenticação biométrica. Para tal, recorreu-se a uma base de dados pública chamada Check Your Biosignals Here initiative (CYBHi), criada com o intuito de propiciar investigações biométricas. As sessões de aquisição contaram com 63 participantes e ocorreram em dois momentos distintos separados por três meses, numa modalidade “off-the-person”, com recurso a um elétrodo na palma da mão e eletrolicras nos dedos. Os sinais da primeira aquisição correspondem, num sistema biométrico, aos dados armazenados na base de dados, enquanto que os sinais da segunda aquisição correspondem aos dados que serão identificados ou autenticados pelo sistema. Os sistemas de identificação e autenticação biométrica propostos nesta dissertação incluem diferentes fases: o pré-processamento, o processamento e a classificação. O pré-processamento consistiu na aplicação de um filtro passa-banda IIR de 4ª ordem, para eliminar ruídos e artefactos provenientes de atividade muscular e da impedância elétrica dos aparelhos de aquisição. A fase de processamento consistiu em extrair e gerar os templates biométricos, que serão os inputs dos algoritmos de classificação. Primeiramente, extraíram-se os ciclos cardíacos através do Neurokit2 disponível no Python. Para tal, foram localizados os picos R dos sinais ECG e, posteriormente, estes foram segmentados em ciclos cardíacos, com 200 amostras antes e 400 amostras depois dos picos. Com o objetivo de remover os segmentos mais ruidosos, os ciclos cardíacos foram submetidos a um algoritmo de eliminação de segmentos que consistiu em encontrar, para cada sujeito, os 20 e 60 ciclos mais próximos entre si, designados de Set 1 e Set 2, respetivamente. A partir desses dois conjuntos de ciclos, criaram-se dois tipos de templates: 1) os ciclos cardíacos, e 2) escalogramas gerados a partir dos ciclos, através da transformada de wavelet contínua, com dois tamanhos distintos: 56x56 e 224x224, denominados por Size 56 e Size 224, respetivamente. Devido ao elevado tamanho dos escalogramas, foi utilizada a analise de componentes independentes para reduzir a dimensionalidade. Assim, os sistemas biométricos propostos na presente investigação, foram testados com os conjuntos de 20 e 60 templates, quer para ciclos quer para escalogramas, de forma a avaliar o desempenho do sistema quando usados mais ou menos templates para os processos de identificação e autenticação. Os templates foram também testados com e sem normalização, para que pudessem ser analisados os benefícios deste processo. A classificação foi feita através de diferentes métodos, testados numa modalidade “entre-sessões”, isto é, os dados da 2ª aquisição, considerados os dados de teste, foram comparados com os dados da 1ª aquisição, denominados dados de treino, de forma a serem classificados. Quanto ao sistema de identificação com ciclos cardíacos, foram testados diferentes classificadores, nomeadamente LDA, kNN, DT e SVM. Para o kNN e SVM, foi feita uma otimização para encontrar o valor de “k” e os valores de γ e C, respetivamente, que permitem o sistema alcançar o melhor desempenho possível. A melhor performance foi obtida através do LDA, alcançando uma taxa de identificação de 79,37% para a melhor configuração, isto é, usando 60 ciclos normalizados. Os templates com base em escalogramas foram testados como inputs para dois métodos distintos: 1) redes neuronais e 2) algoritmo baseado em distâncias. A melhor performance foi uma taxa de identificação de 69,84%, obtida quando usados 60 escalogramas de tamanho 224, não normalizados. Deste modo, os resultados relativos a identificação provaram que utilizar mais templates (60) para identificar um indivíduo otimiza a performance do sistema biométrico, independentemente do tipo de template utilizado. Para alem disto, a normalização mostrou-se um processo essencial para a identificação com ciclos cardíacos, contudo, tal não se verificou para escalogramas. Neste estudo, demonstrou-se que a utilização de ciclos tem mais potencial para tornar um sistema de identificação biométrica eficiente, do que a utilização de escalogramas. No que diz respeito ao sistema de autenticação biométrica, foi utilizado um algoritmo baseado em distâncias, testado com os dois tipos de templates numa configuração concatenada, isto é, uma configuração na qual cada sujeito e representado por um sinal que contém uma sequência de todos os seus templates, seguidos uns dos outros. A avaliação da performance do sistema foi feita com base nos valores de taxa de autenticação e taxa de impostores, que indicam o número de indivíduos corretamente autenticados face ao número total de indivíduos, e o número de impostores autenticados face ao número total de indivíduos, respetivamente. Os ciclos cardíacos foram testados com e sem redução de dimensionalidade, sendo que a melhor performance foi obtida usando 60 ciclos não normalizados sem redução de dimensionalidade. Para esta configuração, obteve-se uma taxa de autenticação de 90,48% e uma taxa de impostores de 13,06%. Desta forma, concluiu-se que reduzir a dimensionalidade dos ciclos cardíacos prejudica o desempenho do sistema, uma vez que se perdem algumas características indispensáveis para a distinção entre sujeitos. Para os escalogramas, a melhor configuração, que corresponde ao uso de 60 escalogramas normalizados de tamanho 56, atingiu uma taxa de autenticação de 98,42% e uma taxa de impostores de 14,34%. Sendo que a dimensionalidade dos escalogramas foi reduzida com recurso a ICA, foi ainda avaliada a performance do sistema quando reduzido o número de componentes independentes. Os resultados mostraram que um número de componentes igual ao número de sujeitos otimiza o desempenho do sistema, uma vez que se verificou um decréscimo da taxa de autenticação quando reduzido o número de componentes. Assim, concluiu-se que são necessárias 63 componentes independentes para distinguir corretamente os 63 sujeitos. Para a autenticação através de ciclos cardíacos, a normalização e a redução de dimensionalidade são dois processos que degradam a performance do sistema, enquanto que, quando utilizados escalogramas, a normalização e vantajosa. Os resultados obtidos provaram ainda que, contrariamente ao que acontece para processos de identificação, a utilização de escalogramas e uma abordagem mais eficiente e eficaz para a autenticação de indivíduos, do que a utilização de ciclos. Esta investigação comprovou o potencial do ECG enquanto traço biométrico para identificação e autenticação de indivíduos, fazendo uma análise comparativa entre diferentes templates extraídos dos sinais ECG e diferentes metodologias na fase de classificação, e avaliando o desempenho do sistema em cada uma das configurações testadas. Estudos anteriores apresentaram algumas limitações, nomeadamente, o uso de aquisições “on-the-person”, ˜ que apresentam pouco potencial para serem integradas em sistemas biométricos devido à baixa praticidade, e à classificação numa modalidade “intra-sessão”, na qual os dados classificados e os dados armazenados foram adquiridos numa só sessão. Este estudo preenche essas lacunas, visto que utilizou dados adquiridos “off-the-person”, dados esses que foram testados numa modalidade “entre-sessões”. Apesar das aquisições ˜ “off-the-person” estarem sujeitas a mais ruídos e, consequentemente, dificultarem processos de identificação ou autenticação, estas abordagens são as mais adequadas para sistemas biométricos, dada a sua possível integração nas mais diversas aplicações tecnológicas. A modalidade “entre-sessões” resulta também numa pior performance relativamente a utilização de sinais de uma só sessão. No entanto, permite comprovar a estabilidade do ECG ao longo do tempo, o que é um fator indispensável para o funcionamento adequado de um sistema biométrico, uma vez que o mesmo terá que comparar diversas vezes o ECG apresentado no momento de identificação ou autenticação, com o ECG armazenado uma única vez na base de dados. Apesar dos bons resultados apresentados nesta dissertação, no futuro devem ser exploradas bases de dados que contenham mais participantes, com uma faixa etária mais alargada, incluindo participantes com diversas condições de saúde, com aquisições separadas por um período de tempo mais longo, de forma a simular o melhor possível a realidade de um sistema biométrico.Biometrics is a rapidly growing field with applications in personal identification and authentication. Over the recent years, several studies have demonstrated the potential of Electrocardiogram (ECG) to be used as a physiological signature for biometric systems. In this dissertation, the possibility of using the ECG signal as an unequivocal biometric trait for identification and authentication purposes has been presented. The ECG data used was from a publicly available database, the Check Your Biosignals Here initiative (CHBYi) database, developed for biometric purposes, containing records of 63 participants. Data was collected through an off-the-person approach, in two different moments, separated by three months, resulting in two acquisitions per subject. Signals from the first acquisition represent, in a biometric system, the data stored in the database, whereas signals from the second acquisition represent the data to be authenticated or identified. The proposed identification and authentication systems included several steps: signal pre-processing, signal processing, and classification. In the pre-processing phase, signals were filtered in order to remove noises, while the signal processing consisted of extracting and generating the biometric templates. For that, firstly, the cardiac cycles were extracted from the ECG signals, and segment elimination was performed to find the segments more similar to one another, resulting in two sets of templates, with 20 and 60 templates per participant, respectively. After that, two types of templates were generated: 1) templates based on cardiac cycles, and 2) templates based on scalograms generated from the cardiac cycles, with two different sizes, 56x56 and 224x224. Due to the large size of the scalograms, ICA was applied to reduce their dimensionality. Thus, the biometric systems were evaluated with two sets of each type of template in order to analyze the advantages of using more or fewer templates per subject, and the templates were also tested with and without normalization. For the identification system using cardiac cycles, LDA, kNN, DT, and SVM were tested as classifiers in an “across-session” modality, reaching an accuracy of 79.37% for the best model (LDA) in the best configuration (60 normalized cardiac cycles). When using scalograms, two different methodologies were tested: 1) neural network, and 2) a distance-based algorithm. The best accuracy was 69.84% for 60 not-normalized scalograms of Size 224, using NN. Thus, results suggested that the templates based on cardiac cycles are a more promising approach for identification tasks. For the authentication, a distance-based algorithm was used for both templates. Cardiac cycles were tested with and without dimensionality reduction, and the best configuration (60 not-normalized cardiac cycles without dimensionality reduction) reached an accuracy of 90.48% and an impostor score of 13.06%. For the scalograms, the best configuration (60 normalized scalograms of Size 56) reached an accuracy of 98.42% and an impostor score of 14.34%. Therefore, using scalograms for the authentication task proved to be a more efficient and accurate approach. The results from this work support the claim that ECG-based biometrics can be successfully used for personal identification and authentication. This study brings novelty by exploring different templates and methodologies in order to perform a comparative analysis and find the approaches that optimize the performance of the biometric system. Moreover, this represents a step forward towards a real-world application of an ECG-based biometric system, mainly due to the use of data from off-the-person acquisitions in an across-session modality

Pattern recognition beyond classification: An abductive framework for time series interpretation

Time series interpretation aims to provide an explanation of what is observed in terms of its underlying processes. The present work is based on the assumption that the common classification-based approaches to time series interpretation suffer from a set of inherent weaknesses, whose ultimate cause lies in the monotonic nature of the deductive reasoning paradigm. In this thesis we propose a new approach to this problem, based on the initial hypothesis that abductive reasoning properly accounts for the human ability to identify and characterize the patterns appearing in a time series. The result of this interpretation is a set of conjectures in the form of observations, organized into an abstraction hierarchy and explaining what has been observed. A knowledge-based framework and a set of algorithms for the interpretation task are provided, implementing a hypothesize-and-test cycle guided by an attentional mechanism. As a representative application domain, interpretation of the electrocardiogram allows us to highlight the strengths of the present approach in comparison with traditional classification-based approaches

Prediction of postoperative atrial fibrillation using the electrocardiogram: A proof of concept

Hospital patients recovering from major cardiac surgery are at high risk of postoperative atrial fibrillation (POAF), an arrhythmia which can be life-threatening. With the development of a tool to predict POAF early enough, the development of the arrhythmia could be potentially prevented using prophylactic treatments, thus reducing risks and hospital costs. To date, no reliable method suitable for autonomous clinical integration has been proposed yet. This thesis presents a study on the prediction of POAF using the electrocardiogram. A novel P-wave quality assessment tool to automatically identify high-quality P-waves was designed, and its clinical utility was assessed. Prediction of paroxysmal atrial fibrillation (AF) was performed by implementing and improving a selection of previously proposed methods. This allowed to perform a systematic comparison of those methods, and to test if their combination improved prediction of AF. Finally, prediction of POAF was tested in a clinically relevant scenario. This included studying the 48 hours preceding POAF, and automatically excluding noise-corrupted P-waves using the quality assessment tool. The P-wave quality assessment tool identified high-quality P-waves with high sensitivity (0.93) and good specificity (0.84). In addition, this tool improved the ability to predict AF, since it improved the precision of P-wave measurements. The best predictors of AF and POAF were measurements of the variability in P-wave time- and morphological features. Paroxysmal AF could be predicted with high specificity (0.93) and good sensitivity (0.82) when several predictors were combined. Furthermore, POAF could be predicted 48 hours before its onset with good sensitivity (0.74) and specificity (0.70). This leaves time for prophylactic treatments to be administered and possibly prevent POAF. Despite being promising, further work is required for these techniques to be useful in the clinical setting