Multidimensional embedded MEMS motion detectors for wearable mechanocardiography and 4D medical imaging

Background: Cardiovascular diseases are the number one cause of death. Of these deaths, almost 80% are due to coronary artery disease (CAD) and cerebrovascular disease. Multidimensional microelectromechanical systems (MEMS) sensors allow measuring the mechanical movement of the heart muscle offering an entirely new and innovative solution to evaluate cardiac rhythm and function. Recent advances in miniaturized motion sensors present an exciting opportunity to study novel device-driven and functional motion detection systems in the areas of both cardiac monitoring and biomedical imaging, for example, in computed tomography (CT) and positron emission tomography (PET). Methods: This Ph.D. work describes a new cardiac motion detection paradigm and measurement technology based on multimodal measuring tools — by tracking the heart’s kinetic activity using micro-sized MEMS sensors — and novel computational approaches — by deploying signal processing and machine learning techniques—for detecting cardiac pathological disorders. In particular, this study focuses on the capability of joint gyrocardiography (GCG) and seismocardiography (SCG) techniques that constitute the mechanocardiography (MCG) concept representing the mechanical characteristics of the cardiac precordial surface vibrations. Results: Experimental analyses showed that integrating multisource sensory data resulted in precise estimation of heart rate with an accuracy of 99% (healthy, n=29), detection of heart arrhythmia (n=435) with an accuracy of 95-97%, ischemic disease indication with approximately 75% accuracy (n=22), as well as significantly improved quality of four-dimensional (4D) cardiac PET images by eliminating motion related inaccuracies using MEMS dual gating approach. Tissue Doppler imaging (TDI) analysis of GCG (healthy, n=9) showed promising results for measuring the cardiac timing intervals and myocardial deformation changes. Conclusion: The findings of this study demonstrate clinical potential of MEMS motion sensors in cardiology that may facilitate in time diagnosis of cardiac abnormalities. Multidimensional MCG can effectively contribute to detecting atrial fibrillation (AFib), myocardial infarction (MI), and CAD. Additionally, MEMS motion sensing improves the reliability and quality of cardiac PET imaging.Moniulotteisten sulautettujen MEMS-liiketunnistimien käyttö sydänkardiografiassa sekä lääketieteellisessä 4D-kuvantamisessa Tausta: Sydän- ja verisuonitaudit ovat yleisin kuolinsyy. Näistä kuolemantapauksista lähes 80% johtuu sepelvaltimotaudista (CAD) ja aivoverenkierron häiriöistä. Moniulotteiset mikroelektromekaaniset järjestelmät (MEMS) mahdollistavat sydänlihaksen mekaanisen liikkeen mittaamisen, mikä puolestaan tarjoaa täysin uudenlaisen ja innovatiivisen ratkaisun sydämen rytmin ja toiminnan arvioimiseksi. Viimeaikaiset teknologiset edistysaskeleet mahdollistavat uusien pienikokoisten liiketunnistusjärjestelmien käyttämisen sydämen toiminnan tutkimuksessa sekä lääketieteellisen kuvantamisen, kuten esimerkiksi tietokonetomografian (CT) ja positroniemissiotomografian (PET), tarkkuuden parantamisessa. Menetelmät: Tämä väitöskirjatyö esittelee uuden sydämen kineettisen toiminnan mittaustekniikan, joka pohjautuu MEMS-anturien käyttöön. Uudet laskennalliset lähestymistavat, jotka perustuvat signaalinkäsittelyyn ja koneoppimiseen, mahdollistavat sydämen patologisten häiriöiden havaitsemisen MEMS-antureista saatavista signaaleista. Tässä tutkimuksessa keskitytään erityisesti mekanokardiografiaan (MCG), joihin kuuluvat gyrokardiografia (GCG) ja seismokardiografia (SCG). Näiden tekniikoiden avulla voidaan mitata kardiorespiratorisen järjestelmän mekaanisia ominaisuuksia. Tulokset: Kokeelliset analyysit osoittivat, että integroimalla usean sensorin dataa voidaan mitata syketiheyttä 99% (terveillä n=29) tarkkuudella, havaita sydämen rytmihäiriöt (n=435) 95-97%, tarkkuudella, sekä havaita iskeeminen sairaus noin 75% tarkkuudella (n=22). Lisäksi MEMS-kaksoistahdistuksen avulla voidaan parantaa sydämen 4D PET-kuvan laatua, kun liikeepätarkkuudet voidaan eliminoida paremmin. Doppler-kuvantamisessa (TDI, Tissue Doppler Imaging) GCG-analyysi (terveillä, n=9) osoitti lupaavia tuloksia sydänsykkeen ajoituksen ja intervallien sekä sydänlihasmuutosten mittaamisessa. Päätelmä: Tämän tutkimuksen tulokset osoittavat, että kardiologisilla MEMS-liikeantureilla on kliinistä potentiaalia sydämen toiminnallisten poikkeavuuksien diagnostisoinnissa. Moniuloitteinen MCG voi edistää eteisvärinän (AFib), sydäninfarktin (MI) ja CAD:n havaitsemista. Lisäksi MEMS-liiketunnistus parantaa sydämen PET-kuvantamisen luotettavuutta ja laatua

Detection and prediction of cardiac quiescence for computed tomography coronary angiography

The objective of this work is to improve the diagnostic quality and reduce the radiation dose of computed tomography coronary angiography (CTCA) imaging by developing gating techniques based on signals derived from cardiac motion, rather than the currently used electrocardiogram (ECG), to more reliably trigger data acquisition during periods of cardiac quiescence. Because the ECG is an indication of electrical activity, it is a surrogate marker of the mechanical state of the heart. Therefore, gating based on a signal derived directly from cardiac motion using either echocardiography or seismocardiography (SCG) should prove better at detecting and predicting periods of cardiac quiescence. Improved gating would permit the use of CTCA in more instances to either replace or determine the necessity of invasive and expensive CCAs. This work presents novel methods for detecting and predicting cardiac quiescence. Quiescence is detected as periods of minimal velocity from echocardiography, computed tomography (CT), and SCG. Identified quiescent periods are used to develop and evaluate techniques for predicting cardiac quiescence using echocardiography and SCG. Both echocardiography and SCG are shown to be more accurate for predicting quiescent periods than ECG. Additionally, the average motion during quiescent periods predicted by echocardiography and SCG is shown to be lower than those predicted using only ECG. Lastly, cardiac CT reconstructions from quiescent phases predicted by a commercial CT scanner were compared to the optimal quiescent phases calculated using the CT quiescence detection methods presented in this work. The diagnostic quality of the reconstructions from the optimal phases was found to be higher than that of the phases predicted by the CT scanner, suggesting that there is the potential for marked improvement in CTCA performance through more accurate cardiac gating.Ph.D