Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation

Tesis por compendio[ES] La fibrilación auricular (FA) es la arritmia cardíaca más común. A pesar de la gran popularidad de la ablación con catéter (AC) como tratamiento principal, todavía hay margen de mejora. Aunque las venas pulmonares (VPs) son los principales focos de FA, muchos sitios pueden contribuir a su propagación, formando el sustrato de la FA (SFA). El mapeo preciso del SFA y el registro de la modificación del SFA, como marcador positivo después de AC, son fundamentales. Los electrocardiogramas (ECG) y los electrogramas (EGM) se reclutan para este propósito. Los EGM se utilizan para detectar candidatos de AC como áreas que provocan o perpetúan la FA. Por lo tanto, el análisis de EGM es una parte indispensable de AC. Con la capacidad de observar las aurículas globalmente, la principal aplicación de los ECG es evaluar la modificación del SFA analizando las ondas f o P. A pesar del extenso análisis de cualquiera de los tipos de registro, existen algunas brechas. La AC no-VP aumenta el tiempo en quirófano, provocando mayores riesgos y costos. En cuanto al análisis de la modificación del SFA, se utilizan varios umbrales para definir una onda P prolongada. El principal objetivo de la presente Tesis es contribuir al esfuerzo de análisis de SFA y de modificación de SFA. Para ello, la presente Tesis se desarrolló bajo dos hipótesis principales. Que la calidad de la información extraída durante el SFA y el análisis de modificación del SFA se puede mejorar mediante la introducción de pasos innovadores. Además, la combinación de análisis de ECG y EGM puede aumentar la resolución del mapeo y revelar nueva información sobre los mecanismos de FA. Para cumplir con el objetivo principal, el análisis se divide en 4 partes, conformando los 4 capítulos del Compendio de articulos. En primer lugar, se reclutó la dimensión de correlación de grano grueso (DCGG). DCGG localizó de manera confiable EGM complejos y la clasificación por tipos de FA arrojó una precisión del 84 %. Luego, se adoptó un análisis alternativo de la onda P, estudiando por separado su primera y su segunda parte, correspondientes a la aurícula derecha (AD) e izquierda (AI). Los resultados indicaron LA como la principal fuente de modificación del SFA y subrayaron la importancia de estudiar partes integrales de ECG. Los hallazgos de este estudio también sugieren la implementación de partes integrales de ondas P como un posible alivio de las discrepancias en los umbrales de ondas P para definir el tejido fibrótico. Posteriormente, se estudió el efecto diferente del aislamiento de la VP izquierda (AVPI) y derecha (AVPD) sobre la modificación del SFA. AVPI fue la parte crítica, siendo la fuente exclusiva de acortamiento de onda P. El análisis de los registros durante la AC también permitió una observación más cercana de las fluctuaciones de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (VFC) a lo largo del procedimiento de CA, lo que reveló información sobre el efecto de la energía de radiofrecuencia (RF) en el tejido auricular. La última parte se centró en el seno coronario (SC), una estructura fundamental en el mapeo de FA para aumentar la resolución de la información. Se definieron los canales más y menos robustos durante el ritmo sinusal (RS) y se investigó la utilidad de SC en la evaluación de la modificación del SFA. Aunque CS no proporcionó una imagen global de la alteración del SFA, pudo registrar con mayor sensibilidad las fluctuaciones en la respuesta auricular durante la AC. Los hallazgos presentados en esta Tesis Doctoral ofrecen una perspectiva alternativa sobre la modificación del SFA y contribuyen al esfuerzo general sobre el mapeo de FA y la evaluación del sustrato posterior a la CAAC, abriendo futuras líneas de investigación hacia una resolución más alta y un mapeo más eficiente de los mecanismos desencadenantes de la FA.[CA] La fibril·lació auricular (FA) és l'arítmia cardíaca més comú. Tot i la gran popularitat de l'ablació amb catèter (AC) com a tractament principal, encara hi ha marge de millora. Tot i que les venes pulmonars (VPs) són els principals focus de FA, molts llocs poden contribuir a la seva propagació, formant el substrat de la FA (SFA). El mapatge precís de l'SFA i el registre de la modificació de l'SFA, com a marcador positiu després d'AC, són fonamentals. Els electrocardiogrames (ECG) i els electrogrames (EGM) es recluten per a aquest propòsit. Els EGM es fan servir per detectar candidats d'AC com a àrees que provoquen o perpetuen la FA. Per tant, lanàlisi dEGM és una part indispensable dAC. Amb la capacitat d'observar les aurícules globalment, la principal aplicació dels ECG és avaluar la modificació de l'SFA analitzant les ones f o P. Tot i l'extensa anàlisi de qualsevol dels tipus de registre, hi ha algunes bretxes. L'AC no-VP augmenta el temps a quiròfan, provocant majors riscos i costos. Pel que fa a l'anàlisi de la modificació de l'SFA, s'utilitzen diversos llindars per definir una ona P perllongada. L'objectiu principal d'aquesta Tesi és contribuir a l'esforç d'anàlisi de SFA i de modificació de SFA. Per això, aquesta Tesi es va desenvolupar sota dues hipòtesis principals. Que la qualitat de la informació extreta durant el SFA i lanàlisi de modificació de lSFA es pot millorar mitjançant la introducció de passos innovadors. A més, la combinació d'anàlisi d'ECG i EGM pot augmentar la resolució del mapatge i revelar informació nova sobre els mecanismes de FA. Per complir amb l'objectiu principal, l'anàlisi es divideix en 4 parts i es conforma els 4 capítols del Compendi d'articles. En primer lloc, es va reclutar la dimensió de correlació de gra gruixut (DCGG). DCGG va localitzar de manera fiable EGM complexos i la classificació per tipus de FA va donar una precisió del 84%. Després, es va adoptar una anàlisi alternativa de l'ona P, estudiant per separat la primera i la segona part corresponents a l'aurícula dreta (AD) i esquerra (AI). Els resultats van indicar LA com la font principal de modificació de l'SFA i van subratllar la importància d'estudiar parts integrals d'ECG. Les troballes d'aquest estudi també suggereixen la implementació de parts integrals d'ones P com a possible alleugeriment de les discrepàncies als llindars d'ones P per definir el teixit fibròtic. Posteriorment, es va estudiar l'efecte diferent de l'aïllament de la VP esquerra (AVPI) i la dreta (AVPD) sobre la modificació de l'SFA. AVPI va ser la part crítica, sent la font exclusiva d'escurçament d'ona P. L'anàlisi dels registres durant l'AC també va permetre una observació més propera de les fluctuacions de la variabilitat de la freqüència cardíaca (VFC) al llarg del procediment de CA , cosa que va revelar informació sobre l'efecte de l'energia de radiofreqüència (RF) en el teixit auricular. L'última part es va centrar al si coronari (SC), una estructura fonamental al mapeig de FA per augmentar la resolució de la informació. Es van definir els canals més i menys robustos durant el ritme sinusal (RS) i es va investigar la utilitat de SC a l'avaluació de la modificació de l'SFA. Tot i que CS no va proporcionar una imatge global de l'alteració de l'SFA, va poder registrar amb més sensibilitat les fluctuacions a la resposta auricular durant l'AC. Les troballes presentades en aquesta Tesi Doctoral ofereixen una perspectiva alternativa sobre la modificació de l'SFA i contribueixen a l'esforç general sobre el mapeig de FA i l'avaluació del substrat posterior a la CAAC, obrint futures línies de recerca cap a una resolució més alta i un mapeig més eficient dels mecanismes desencadenants de la FA.[EN] Atrial fibrillation (AF) is the commonest cardiac arrhythmia. Despite the high popularity of catheter ablation (CA) as the main treatment, there is still room for improvement. Time spent in AF affects the AF confrontation and evolution, with 1,15% of paroxysmal AF patients progressing to persistent annually. Therefore, from diagnosis to follow-up, every aspect that contributes to the AF confrontation is of utmost importance. Although pulmonary veins (PVs) are the main AF foci, many sites may contribute to the AF propagation, by triggering or sustaining the AF, forming the AF substrate. Precise AF substrate mapping and recording of the AF substrate modification, as a positive marker after CA sessions, are critical. Electrocardiograms (ECGs) and electrograms (EGMs) are vastly recruited for this purpose. EGMs are used to detect candidate CA targets as areas that provoke or perpetuate AF. Hence, EGMs analysis is an indispensable part of the CA procedure. With the ability to observe the atria globally, ECGs' main application is to assess the AF substrate modification by analyzing f- or P-waves from recordings before and after CA. Despite the extensive analysis on either recording types, some gaps exist. Non-PV CA increases the time in operation room, provoking higher risks and costs. Furthermore, whether non-PV CA is beneficial is under dispute. As for the AF substrate modification analysis, various thresholds are used to define a prolonged P-wave, related with poor CA prognostics. The main objective of the present Thesis is to contribute to the effort of AF substrate and AF substrate modification analysis. For this purpose, the present Thesis was developed under two main hypotheses. That the information quality extracted during AF substrate and AF substrate modification analysis can be improved by introducing innovative steps. Also, that combining ECG and EGM analysis can augment the mapping resolution and reveal new information regarding AF mechanisms. To accomplish the main objective, the analysis is split in 4 parts, forming the 4 chapters of the Compendium of publications. Firstly, coarse-grained correlation dimension (CGCD) was recruited. CGCD reliably localized highly complex EGMs and classification by AF types yielded 84% accuracy. Then, an alternative P-wave analysis was suggested, studying separately the first and second P-wave parts, corresponding to the right (RA) and left (LA) atrium. The findings indicated LA as the main AF substrate modification source and underlined the importance of studying integral ECG parts. The findings of this study additionally suggest the implementation of integral P-wave parts as a possible alleviation for the discrepancies in P-wave thresholds to define fibrotic tissue. Afterwards, the different effect of left (LPVI) and right pulmonary vein isolation (RPVI) on the AF substrate modification was studied. LPVI was the critical part, being the exclusive source of P-wave shortening. Analysis of recordings during CA also allowed a closer observation of the heart rate variability (HRV) fluctuations throughout the CA procedure, revealing information on the effect of radiofrequency (RF) energy on the atrial tissue. The last part was focused on coronary sinus (CS), a fundamental structure in AF mapping to increase the information resolution. The most and least robust channels during sinus rhythm (SR) were defined and the utility of CS in AF substrate modification evaluation was investigated. Although CS did not provide a global picture of the AF substrate alteration, it was able to record with higher sensitivity the fluctuations in the atrial response during the application of RF energy. The findings presented in this Doctoral Thesis offer an alternative perspective on the AF substrate modification and contribute to the overall effort on AF mapping and post-CA substrate evaluation, opening future lines of research towards a higher resolution and more efficient mapping of the AF drivers.Vraka, A. (2022). Characterization of the Substrate Modification in Patients Undergoing Catheter Ablation of Atrial Fibrillation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191410Compendi

Extraction and Detection of Fetal Electrocardiograms from Abdominal Recordings

The non-invasive fetal ECG (NIFECG), derived from abdominal surface electrodes, offers novel diagnostic possibilities for prenatal medicine. Despite its straightforward applicability, NIFECG signals are usually corrupted by many interfering sources. Most significantly, by the maternal ECG (MECG), whose amplitude usually exceeds that of the fetal ECG (FECG) by multiple times. The presence of additional noise sources (e.g. muscular/uterine noise, electrode motion, etc.) further affects the signal-to-noise ratio (SNR) of the FECG. These interfering sources, which typically show a strong non-stationary behavior, render the FECG extraction and fetal QRS (FQRS) detection demanding signal processing tasks. In this thesis, several of the challenges regarding NIFECG signal analysis were addressed. In order to improve NIFECG extraction, the dynamic model of a Kalman filter approach was extended, thus, providing a more adequate representation of the mixture of FECG, MECG, and noise. In addition, aiming at the FECG signal quality assessment, novel metrics were proposed and evaluated. Further, these quality metrics were applied in improving FQRS detection and fetal heart rate estimation based on an innovative evolutionary algorithm and Kalman filtering signal fusion, respectively. The elaborated methods were characterized in depth using both simulated and clinical data, produced throughout this thesis. To stress-test extraction algorithms under ideal circumstances, a comprehensive benchmark protocol was created and contributed to an extensively improved NIFECG simulation toolbox. The developed toolbox and a large simulated dataset were released under an open-source license, allowing researchers to compare results in a reproducible manner. Furthermore, to validate the developed approaches under more realistic and challenging situations, a clinical trial was performed in collaboration with the University Hospital of Leipzig. Aside from serving as a test set for the developed algorithms, the clinical trial enabled an exploratory research. This enables a better understanding about the pathophysiological variables and measurement setup configurations that lead to changes in the abdominal signal's SNR. With such broad scope, this dissertation addresses many of the current aspects of NIFECG analysis and provides future suggestions to establish NIFECG in clinical settings.:Abstract Acknowledgment Contents List of Figures List of Tables List of Abbreviations List of Symbols (1)Introduction 1.1)Background and Motivation 1.2)Aim of this Work 1.3)Dissertation Outline 1.4)Collaborators and Conflicts of Interest (2)Clinical Background 2.1)Physiology 2.1.1)Changes in the maternal circulatory system 2.1.2)Intrauterine structures and feto-maternal connection 2.1.3)Fetal growth and presentation 2.1.4)Fetal circulatory system 2.1.5)Fetal autonomic nervous system 2.1.6)Fetal heart activity and underlying factors 2.2)Pathology 2.2.1)Premature rupture of membrane 2.2.2)Intrauterine growth restriction 2.2.3)Fetal anemia 2.3)Interpretation of Fetal Heart Activity 2.3.1)Summary of clinical studies on FHR/FHRV 2.3.2)Summary of studies on heart conduction 2.4)Chapter Summary (3)Technical State of the Art 3.1)Prenatal Diagnostic and Measuring Technique 3.1.1)Fetal heart monitoring 3.1.2)Related metrics 3.2)Non-Invasive Fetal ECG Acquisition 3.2.1)Overview 3.2.2)Commercial equipment 3.2.3)Electrode configurations 3.2.4)Available NIFECG databases 3.2.5)Validity and usability of the non-invasive fetal ECG 3.3)Non-Invasive Fetal ECG Extraction Methods 3.3.1)Overview on the non-invasive fetal ECG extraction methods 3.3.2)Kalman filtering basics 3.3.3)Nonlinear Kalman filtering 3.3.4)Extended Kalman filter for FECG estimation 3.4)Fetal QRS Detection 3.4.1)Merging multichannel fetal QRS detections 3.4.2)Detection performance 3.5)Fetal Heart Rate Estimation 3.5.1)Preprocessing the fetal heart rate 3.5.2)Fetal heart rate statistics 3.6)Fetal ECG Morphological Analysis 3.7)Problem Description 3.8)Chapter Summary (4)Novel Approaches for Fetal ECG Analysis 4.1)Preliminary Considerations 4.2)Fetal ECG Extraction by means of Kalman Filtering 4.2.1)Optimized Gaussian approximation 4.2.2)Time-varying covariance matrices 4.2.3)Extended Kalman filter with unknown inputs 4.2.4)Filter calibration 4.3)Accurate Fetal QRS and Heart Rate Detection 4.3.1)Multichannel evolutionary QRS correction 4.3.2)Multichannel fetal heart rate estimation using Kalman filters 4.4)Chapter Summary (5)Data Material 5.1)Simulated Data 5.1.1)The FECG Synthetic Generator (FECGSYN) 5.1.2)The FECG Synthetic Database (FECGSYNDB) 5.2)Clinical Data 5.2.1)Clinical NIFECG recording 5.2.2)Scope and limitations of this study 5.2.3)Data annotation: signal quality and fetal amplitude 5.2.4)Data annotation: fetal QRS annotation 5.3)Chapter Summary (6)Results for Data Analysis 6.1)Simulated Data 6.1.1)Fetal QRS detection 6.1.2)Morphological analysis 6.2)Own Clinical Data 6.2.1)FQRS correction using the evolutionary algorithm 6.2.2)FHR correction by means of Kalman filtering (7)Discussion and Prospective 7.1)Data Availability 7.1.1)New measurement protocol 7.2)Signal Quality 7.3)Extraction Methods 7.4)FQRS and FHR Correction Algorithms (8)Conclusion References (A)Appendix A - Signal Quality Annotation (B)Appendix B - Fetal QRS Annotation (C)Appendix C - Data Recording GU

Blind Source Separation for the Processing of Contact-Less Biosignals

(Spatio-temporale) Blind Source Separation (BSS) eignet sich für die Verarbeitung von Multikanal-Messungen im Bereich der kontaktlosen Biosignalerfassung. Ziel der BSS ist dabei die Trennung von (z.B. kardialen) Nutzsignalen und Störsignalen typisch für die kontaktlosen Messtechniken. Das Potential der BSS kann praktisch nur ausgeschöpft werden, wenn (1) ein geeignetes BSS-Modell verwendet wird, welches der Komplexität der Multikanal-Messung gerecht wird und (2) die unbestimmte Permutation unter den BSS-Ausgangssignalen gelöst wird, d.h. das Nutzsignal praktisch automatisiert identifiziert werden kann. Die vorliegende Arbeit entwirft ein Framework, mit dessen Hilfe die Effizienz von BSS-Algorithmen im Kontext des kamera-basierten Photoplethysmogramms bewertet werden kann. Empfehlungen zur Auswahl bestimmter Algorithmen im Zusammenhang mit spezifischen Signal-Charakteristiken werden abgeleitet. Außerdem werden im Rahmen der Arbeit Konzepte für die automatisierte Kanalauswahl nach BSS im Bereich der kontaktlosen Messung des Elektrokardiogramms entwickelt und bewertet. Neuartige Algorithmen basierend auf Sparse Coding erwiesen sich dabei als besonders effizient im Vergleich zu Standard-Methoden.(Spatio-temporal) Blind Source Separation (BSS) provides a large potential to process distorted multichannel biosignal measurements in the context of novel contact-less recording techniques for separating distortions from the cardiac signal of interest. This potential can only be practically utilized (1) if a BSS model is applied that matches the complexity of the measurement, i.e. the signal mixture and (2) if permutation indeterminacy is solved among the BSS output components, i.e the component of interest can be practically selected. The present work, first, designs a framework to assess the efficacy of BSS algorithms in the context of the camera-based photoplethysmogram (cbPPG) and characterizes multiple BSS algorithms, accordingly. Algorithm selection recommendations for certain mixture characteristics are derived. Second, the present work develops and evaluates concepts to solve permutation indeterminacy for BSS outputs of contact-less electrocardiogram (ECG) recordings. The novel approach based on sparse coding is shown to outperform the existing concepts of higher order moments and frequency-domain features

Cardiovascular data analytics for real time patient monitoring

Improvements in wearable sensor devices make it possible to constantly monitor physiological parameters such as electrocardiograph (ECG) signals for long periods. Remote patient monitoring with wearable sensors has an important role to play in health care, particularly given the prevalence of chronic conditions such as cardiovascular disease (CVD)—one of the prominent causes of morbidity and mortality worldwide. Approximately 4.2 million Australians suffer from long-term CVD with approximately one death every 12 minutes. The assessment of ECG features, especially heart rate variability (HRV), represents a non-invasive technique which provides an indication of the autonomic nervous system (ANS) function. Conditions such as sudden cardiac death, hypertension, heart failure, myocardial infarction, ischaemia, and coronary heart disease can be detected from HRV analysis. In addition, the analysis of ECG features can also be used to diagnose many types of life-threatening arrhythmias, including ventricular fibrillation and ventricular tachycardia. Non-cardiac conditions, such as diabetes, obesity, metabolic syndrome, insulin resistance, irritable bowel syndrome, dyspepsia, anorexia nervosa, anxiety, and major depressive disorder have also been shown to be associated with HRV. The analysis of ECG features from real time ECG signals generated from wearable sensors provides distinctive challenges. The sensors that receive and process the signals have limited power, storage and processing capacity. Consequently, algorithms that process ECG signals need to be lightweight, use minimal storage resources and accurately detect abnormalities so that alarms can be raised. The existing literature details only a few algorithms which operate within the constraints of wearable sensor networks. This research presents four novel techniques that enable ECG signals to be processed within the limitations of resource constraints on devices to detect some key abnormalities in heart function. - The first technique is a novel real-time ECG data reduction algorithm, which detects and transmits only those key points that are critical for the generation of ECG features for diagnoses. - The second technique accurately predicts the five-minute HRV measure using only three minutes of data with an algorithm that executes in real-time using minimal computational resources. - The third technique introduces a real-time ECG feature recognition system that can be applied to diagnose life threatening conditions such as premature ventricular contractions (PVCs). - The fourth technique advances a classification algorithm to enhance the performance of automated ECG classification to determine arrhythmic heart beats based on noisy ECG signals. The four novel techniques are evaluated in comparison with benchmark algorithms for each task on the standard MIT-BIH Arrhythmia Database and with data generated from patients in a major hospital using Shimmer3 wearable ECG sensors. The four techniques are integrated to demonstrate that remote patient monitoring of ECG using HRV and ECG features is feasible in real time using minimal computational resources. The evaluation show that the ECG reduction algorithm is significantly better than existing algorithms that can be applied within sensor nodes, such as time-domain methods, transformation methods and compressed sensing methods. Furthermore, the proposed ECG reduction is found to be computationally less complex for resource constrained sensors and achieves higher compression ratios than existing algorithms. The prediction of a common HRV measure, the five-minute standard deviation of inter-beat variations (SDNN) and the accurate detection of PVC beats was achieved using a Count Data Model, combined with a Poisson-generated function from three-minute ECG recordings. This was achieved with minimal computational resources and was well suited to remote patient monitoring with wearable sensors. The PVC beats detection was implemented using the same count data model together with knowledge-based rules derived from clinical knowledge. A real-time cardiac patient monitoring system was implemented using an ECG sensor and smartphone to detect PVC beats within a few seconds using artificial neural networks (ANN), and it was proven to provide highly accurate results. The automated detection and classification were implemented using a new wrapper-based hybrid approach that utilized t-distributed stochastic neighbour embedding (t-SNE) in combination with self-organizing maps (SOM) to improve classification performance. The t-SNE-SOM hybrid resulted in improved sensitivity, specificity and accuracy compared to most common hybrid methods in the presence of noise. It also provided a better, more accurate identification for the presence of many types of arrhythmias from the ECG recordings, leading to a more timely diagnosis and treatment outcome.Doctor of Philosoph

Advanced bioimpedance signal processing techniques for hemodynamic monitoring during anesthesia

Aplicat embargament des de la data de defensa fins els maig 2020.Cardiac output (CO) defines the blood flow arriving from the heart to the different organs in the body and it is thus a primary determinant of global 02 transport. Cardiac output has traditionally been measured using invasive methods, whose risk sometimes exceeds the advantages of a cardiac output monitoring. In this context, the minimization of risk in new noninvasive technologies for CO monitoring could translate into major advantages for clinicians, hospitals and patients: ease of usage and availability, reduced recovery time, and improved patient outcome. Impedance Cardiography (ICG) is a promising noninvasive technology for cardiac output monitoring but available information on the ICG signals is more scare than other physiological signals such as the electrocardiogram (ECG). The present Doctoral Thesis contributes to the development of signal treatment techniques for the ICG in order to create an innovative hemodynamic monitor. First, an extensive literature review is provided regarding the basics of the clinical background in which cardiac output monitoring is used and concerning the state of the art of cardiac output monitors on the market. This Doctoral Thesis has produced a considerable amount of clinical data which is also explained in detail. These clinical data are also useful to complement the theoretical explanation of patient indices such as heart rate variability, blood flow and blood pressure. In addition, a new method to create synthetic biomedical signals with known time-frequency characteristics is introduced. One of the first analysis in this Doctoral Thesis studies the time difference between peak points of the heart beats in the ECG and the ICG: the RC segment. This RC segment is a measure of the time delay between electrical and mechanical activity of the heart. The relationship of the RC segment with blood pressure and heart interval is analyzed. The concordance of beat durations of both the electrocardiogram and the impedance cardiogram is one of the key results to develop new artefact detection algorithms and the RC could also have an impact in describing the hemodynamics of a patient. Time-frequency distributions (TFDs) are also used to characterize how the frequency content in impedance cardiography signals change with time. Since TFDs are calculated using concrete kernels, a new method to select the best kernel by using synthetic signals is presented. Optimized TFDs of ICG signals are then calculated to extract severa! features which are used to discriminate between different anesthesia states in patients undergoing surgery. TFD-derived features are also used to describe the whole surgical operations. Relationships between TFD-derived features are analyzed and prediction models for cardiac output are designed. These prediction models prove that the TFD-derived features are related to the patients' cardiac output. Finally, a validation study for the qCO monitor is presented. The qCO monitor has been designed using sorne of the techniques which are consequence of this Doctoral Thesis. The main outputs of this work have been protected with a patent which has already been filed. As a conclusion, this Doctoral Thesis has produced a considerable amount of clinical data and a variety of analysis and processing techniques of impedance cardiography signals which have been included into commercial medical devices already available on the market.El gasto cardíaco (GC) define el flujo de sangre que llega desde el corazón a los distintos órganos del cuerpo y es, por tanto, un determinante primario del transporte global de oxígeno. Se ha medido tradicionalmente usando métodos invasivos cuyos riesgos excedían en ocasiones las ventajas de su monitorización. En este contexto, la minimización del riesgo de la monitorización del gasto cardíaco en nuevas tecnologías no invasivas podría traducirse en mayores ventajas para médicos, hospitales y pacientes: facilidad de uso, disponibilidad del equipamiento y menor tiempo de recuperación y mejores resultados en el paciente. La impedancio-cardiografía o cardiografía de impedancia (ICG} es una prometedora tecnología no invasiva para la monitorización del gasto cardíaco. Sin embargo, la información disponible sobre las señales de ICG es más escasa que otras señales fisiológicas como el electrocardiograma (ECG). La presente Tesis Doctoral contribuye al desarrollo de técnicas de tratamiento de señal de ICG para así crear un monitor hemodinámico innovador. En primer lugar, se proporciona una extensa revisión bibliográfica sobre los aspectos básicos del contexto clínico en el que se utiliza la monitorización del gasto cardíaco así como sobre el estado del arte de los monitores de gasto cardíaco que existen en el mercado. Esta Tesis Doctoral ha producido una considerable cantidad de datos clínicos que también se explican en detalle. Dichos datos clínicos también son útiles para complementar las explicaciones teóricas de los índices de paciente de variabilidad cardíaca y el flujo y la presión sanguíneos. Además, se presenta un nuevo método de creación de señales sintéticas biomédicas con características de tiempo-frecuencia conocidas. Uno de los primeros análisis de esta Tesis Doctoral estudia la diferencia temporal entre los picos de los latidos cardíacos del ECG y del ICG: el segmento RC. Este segmento RC es una medida del retardo temporal entre la actividad eléctrica y mecánica del corazón. Se analiza la relación del segmento RC con la presión arterial y el intervalo cardíaco. La concordancia entre la duración de los latidos del ECG y del ICG es uno de los resultados claves para desarrollar nuevos algoritmos de detección de artefactos y el segmento RC también podría ser relevante en la descripción de la hemodinámica de los pacientes. Las distribuciones de tiempo-frecuencia (TFD, por sus siglas en inglés) se utilizan para caracterizar cómo el contenido de las señales de impedancia cardiográfica cambia con el tiempo. Dado que las TFDs deben calcularse usando núcleos (kernels, en inglés) concretos, se presenta un nuevo método para seleccionar el mejor núcleo mediante el uso de señales sintéticas. Las TFDs de ICG optimizadas se calculan para extraer distintas características que son usadas para discriminar entre los diferentes estados de anestesia en pacientes sometidos a procesos quirúrgicos. Las características derivadas de las distribuciones de tiempo-frecuencia también son utilizadas para describir las operaciones quirúrgicas durante toda su extensión temporal. La relación entre dichas características son analizadas y se proponen distintos modelos de predicción para el gasto cardíaco. Estos modelos de predicción demuestran que las características derivadas de las distribuciones tiempo-frecuencia de señales de ICG están relacionadas con el gasto cardíaco de los pacientes. Finalmente, se presenta un estudio de validación del monitor qCO, diseñado con alguna de las técnicas que son consecuencia de esta Tesis Doctoral. Las principales conclusiones de este trabajo han sido protegidas con una patente que ya ha sido registrada. Como conclusión, esta Tesis Doctoral ha producido una considerable cantidad de datos clínicos y una variedad de técnicas de procesado y análisis de señales de cardiografía de impedancia que han sido incluidas en dispositivos biomédicos disponibles en el mercadoPostprint (published version

Advanced bioimpedance signal processing techniques for hemodynamic monitoring during anesthesia

Cardiac output (CO) defines the blood flow arriving from the heart to the different organs in the body and it is thus a primary determinant of global 02 transport. Cardiac output has traditionally been measured using invasive methods, whose risk sometimes exceeds the advantages of a cardiac output monitoring. In this context, the minimization of risk in new noninvasive technologies for CO monitoring could translate into major advantages for clinicians, hospitals and patients: ease of usage and availability, reduced recovery time, and improved patient outcome. Impedance Cardiography (ICG) is a promising noninvasive technology for cardiac output monitoring but available information on the ICG signals is more scare than other physiological signals such as the electrocardiogram (ECG). The present Doctoral Thesis contributes to the development of signal treatment techniques for the ICG in order to create an innovative hemodynamic monitor. First, an extensive literature review is provided regarding the basics of the clinical background in which cardiac output monitoring is used and concerning the state of the art of cardiac output monitors on the market. This Doctoral Thesis has produced a considerable amount of clinical data which is also explained in detail. These clinical data are also useful to complement the theoretical explanation of patient indices such as heart rate variability, blood flow and blood pressure. In addition, a new method to create synthetic biomedical signals with known time-frequency characteristics is introduced. One of the first analysis in this Doctoral Thesis studies the time difference between peak points of the heart beats in the ECG and the ICG: the RC segment. This RC segment is a measure of the time delay between electrical and mechanical activity of the heart. The relationship of the RC segment with blood pressure and heart interval is analyzed. The concordance of beat durations of both the electrocardiogram and the impedance cardiogram is one of the key results to develop new artefact detection algorithms and the RC could also have an impact in describing the hemodynamics of a patient. Time-frequency distributions (TFDs) are also used to characterize how the frequency content in impedance cardiography signals change with time. Since TFDs are calculated using concrete kernels, a new method to select the best kernel by using synthetic signals is presented. Optimized TFDs of ICG signals are then calculated to extract severa! features which are used to discriminate between different anesthesia states in patients undergoing surgery. TFD-derived features are also used to describe the whole surgical operations. Relationships between TFD-derived features are analyzed and prediction models for cardiac output are designed. These prediction models prove that the TFD-derived features are related to the patients' cardiac output. Finally, a validation study for the qCO monitor is presented. The qCO monitor has been designed using sorne of the techniques which are consequence of this Doctoral Thesis. The main outputs of this work have been protected with a patent which has already been filed. As a conclusion, this Doctoral Thesis has produced a considerable amount of clinical data and a variety of analysis and processing techniques of impedance cardiography signals which have been included into commercial medical devices already available on the market.El gasto cardíaco (GC) define el flujo de sangre que llega desde el corazón a los distintos órganos del cuerpo y es, por tanto, un determinante primario del transporte global de oxígeno. Se ha medido tradicionalmente usando métodos invasivos cuyos riesgos excedían en ocasiones las ventajas de su monitorización. En este contexto, la minimización del riesgo de la monitorización del gasto cardíaco en nuevas tecnologías no invasivas podría traducirse en mayores ventajas para médicos, hospitales y pacientes: facilidad de uso, disponibilidad del equipamiento y menor tiempo de recuperación y mejores resultados en el paciente. La impedancio-cardiografía o cardiografía de impedancia (ICG} es una prometedora tecnología no invasiva para la monitorización del gasto cardíaco. Sin embargo, la información disponible sobre las señales de ICG es más escasa que otras señales fisiológicas como el electrocardiograma (ECG). La presente Tesis Doctoral contribuye al desarrollo de técnicas de tratamiento de señal de ICG para así crear un monitor hemodinámico innovador. En primer lugar, se proporciona una extensa revisión bibliográfica sobre los aspectos básicos del contexto clínico en el que se utiliza la monitorización del gasto cardíaco así como sobre el estado del arte de los monitores de gasto cardíaco que existen en el mercado. Esta Tesis Doctoral ha producido una considerable cantidad de datos clínicos que también se explican en detalle. Dichos datos clínicos también son útiles para complementar las explicaciones teóricas de los índices de paciente de variabilidad cardíaca y el flujo y la presión sanguíneos. Además, se presenta un nuevo método de creación de señales sintéticas biomédicas con características de tiempo-frecuencia conocidas. Uno de los primeros análisis de esta Tesis Doctoral estudia la diferencia temporal entre los picos de los latidos cardíacos del ECG y del ICG: el segmento RC. Este segmento RC es una medida del retardo temporal entre la actividad eléctrica y mecánica del corazón. Se analiza la relación del segmento RC con la presión arterial y el intervalo cardíaco. La concordancia entre la duración de los latidos del ECG y del ICG es uno de los resultados claves para desarrollar nuevos algoritmos de detección de artefactos y el segmento RC también podría ser relevante en la descripción de la hemodinámica de los pacientes. Las distribuciones de tiempo-frecuencia (TFD, por sus siglas en inglés) se utilizan para caracterizar cómo el contenido de las señales de impedancia cardiográfica cambia con el tiempo. Dado que las TFDs deben calcularse usando núcleos (kernels, en inglés) concretos, se presenta un nuevo método para seleccionar el mejor núcleo mediante el uso de señales sintéticas. Las TFDs de ICG optimizadas se calculan para extraer distintas características que son usadas para discriminar entre los diferentes estados de anestesia en pacientes sometidos a procesos quirúrgicos. Las características derivadas de las distribuciones de tiempo-frecuencia también son utilizadas para describir las operaciones quirúrgicas durante toda su extensión temporal. La relación entre dichas características son analizadas y se proponen distintos modelos de predicción para el gasto cardíaco. Estos modelos de predicción demuestran que las características derivadas de las distribuciones tiempo-frecuencia de señales de ICG están relacionadas con el gasto cardíaco de los pacientes. Finalmente, se presenta un estudio de validación del monitor qCO, diseñado con alguna de las técnicas que son consecuencia de esta Tesis Doctoral. Las principales conclusiones de este trabajo han sido protegidas con una patente que ya ha sido registrada. Como conclusión, esta Tesis Doctoral ha producido una considerable cantidad de datos clínicos y una variedad de técnicas de procesado y análisis de señales de cardiografía de impedancia que han sido incluidas en dispositivos biomédicos disponibles en el mercad

Advances in Electrocardiograms

Electrocardiograms have become one of the most important, and widely used medical tools for diagnosing diseases such as cardiac arrhythmias, conduction disorders, electrolyte imbalances, hypertension, coronary artery disease and myocardial infarction. This book reviews recent advancements in electrocardiography. The four sections of this volume, Cardiac Arrhythmias, Myocardial Infarction, Autonomic Dysregulation and Cardiotoxicology, provide comprehensive reviews of advancements in the clinical applications of electrocardiograms. This book is replete with diagrams, recordings, flow diagrams and algorithms which demonstrate the possible future direction for applying electrocardiography to evaluating the development and progression of cardiac diseases. The chapters in this book describe a number of unique features of electrocardiograms in adult and pediatric patient populations with predilections for cardiac arrhythmias and other electrical abnormalities associated with hypertension, coronary artery disease, myocardial infarction, sleep apnea syndromes, pericarditides, cardiomyopathies and cardiotoxicities, as well as innovative interpretations of electrocardiograms during exercise testing and electrical pacing

Autonomic nervous system biomarkers from multi-modal and model-based signal processing in mental health and illness

Esta tesis se centra en técnicas de procesado multimodal y basado en modelos de señales para derivar parámetros fisiológicos, es decir, biomarcadores, relacionados con el sistema nervioso autónomo (ANS). El desarrollo de nuevos métodos para derivar biomarcadores de ANS no invasivos en la salud y la enfermedad mental ofrece la posibilidad de mejorar la evaluación del estrés y la monitorización de la depresión. Para este fin, el presente documento se estructura en tres partes principales. En la Parte I, se proporciona unaintroducción a la salud y la enfermedad mental (Cap. 1). Además, se presenta un marco teórico para investigar la etiología de los trastornos mentales y el papel del estrés en la enfermedad mental (Cap. 2). También se destaca la importancia de los biomarcadores no invasivos para la evaluación del ANS, prestando especial atención en la depresión clínica (Cap. 3, 4). En la Parte II, se proporciona el marco metodológico para derivar biomarcadores del ANS. Las técnicas de procesado de señales incluyen el análisis conjunto de la variabilidad del rítmo cardíaco (HRV) y la señal respiratoria (Cap. 6), técnicas novedosas para derivar la señal respiratoria del electrocardiograma (ECG) (Cap. 7) y un análisis robusto que se basa en modelar la forma de ondas del pulso del fotopletismograma (PPG) (Ch. 8). En la Parte III, los biomarcadores del ANS se evalúan en la quantificacióndel estrés (Cap. 9) y en la monitorización de la depresión (Ch. 10).Parte I: La salud mental no solo está relacionada con ese estado positivo de bienestar, en el que un individuo puede enfrentar a las situaciones estresantes de la vida, sino también con la ausencia de enfermedad mental. La enfermedad o trastorno mental se puede definir como un trastorno emocional, cognitivo o conductual que causa un deterioro funcional sustancial en una o más actividades importantes de la vida. Los trastornos mentales más comunes, que muchas veces coexisten, son la ansiedad y el trastorno depresivo mayor (MDD). La enfermedad mental tiene un impacto negativo en la calidad de vida, ya que se asocia con pérdidas considerables en la salud y el funcionamiento, y aumenta ignificativamente el riesgo de una persona de padecer enfermedades ardiovasculares.Un instigador común que subyace a la comorbilidad entre el MDD, la patologíacardiovascular y la ansiedad es el estrés mental. El estrés es común en nuestra vida de rítmo rapido e influye en nuestra salud mental. A corto plazo, ANS controla la respuesta cardiovascular a estímulos estresantes. La regulación de parámetros fisiológicos, como el rítmo cardíaco, la frecuencia respiratoria y la presión arterial, permite que el organismo responda a cambios repentinos en el entorno. Sin embargo, la adaptación fisiológica a un fenómeno ambiental que ocurre regularmente altera los sistemas biológicos involucrados en la respuesta al estrés. Las alteraciones neurobiológicas en el cerebro pueden alterar lafunción del ANS. La disfunción del ANS y los cambios cerebrales estructurales tienen un impacto negativo en los procesos cognitivos, emocionales y conductuales, lo que conduce al desarrollo de una enfermedad mental.Parte II: El desarrollo de métodos novedosos para derivar biomarcadores del ANS no invasivos ofrece la posibilidad de mejorar la evaluacón del estrés en individuos sanos y la disfunción del ANS en pacientes con MDD. El análisis conjunto de varias bioseñales (enfoquemultimodal) permite la cuantificación de interacciones entre sistemas biológicos asociados con ANS, mientras que el modelado de bioseãles y el análisis posterior de los parámetros del modelo (enfoque basado en modelos) permite la cuantificación robusta de cambios en mecanismos fisiológicos relacionados con el ANS. Un método novedoso, quetiene en cuenta los fenómenos de acoplo de fase y frecuencia entre la respiración y las señales de HRV para evaluar el acoplo cardiorrespiratorio no lineal cuadrático se propone en el Cap. 6.3. En el Cap. 7 se proponen nuevas técnicas paramejorar lamonitorización de la respiración. En el Cap. 8, para aumentar la robustez de algunas medidas morfológicas que reflejan cambios en el tonno arterial, se considera el modelado del pulso PPG como una onda principal superpuesta con varias ondas reflejadas.Parte III: Los biomarcadores del ANS se evalúan en la cuantificación de diferentes tipos de estrés, ya sea fisiológico o psicológico, en individuos sanos, y luego, en la monitorización de la depresión. En presencia de estrés mental (Cap. 9.1), inducido por tareas cognitivas, los sujetos sanos muestran un incremento en la frecuencia respiratoria y un mayor número de interacciones no lineales entre la respiración y la seãl de HRV. Esto podría estar asociado con una activación simpática, pero también con una respiración menos regular. En presencia de estrés hemodinámico (Cap. 9.2), inducido por un cambio postural, los sujetos sanos muestran una reducción en el acoplo cardiorrespiratoriono lineal cuadrático, que podría estar relacionado con una retracción vagal. En presencia de estrés térmico (Cap. 9.3), inducido por la exposición a emperaturas ambientales elevadas, los sujetos sanos muestran un aumento del equilibrio simpatovagal. Esto demuestra que los biomarcadores ANS son capaces de evaluar diferentes tipos de estrés y pueden explorarse más en el contexto de la monitorización de la depresión. En el Cap. 10, se evalúan las diferencias en la función del ANS entre elMDD y los sujetos sanos durante un protocolo de estrés mental, no solo con los valores brutos de los biomarcadores del ANS, sino también con los índices de reactividad autónoma, que reflejan la capacidad deun individuo para afrontar con una situación desafiante. Los resultados muestran que la depresión se asocia con un desequilibrio autonómico, que se caracteriza por una mayor actividad simpática y una reducción de la distensibilidad arterial. Los índices de reactividad autónoma cuantificados por cambios, entre etapas de estrés y de recuperación, en los sustitutos de la rigidez arterial, como la pérdida de amplitud de PPG en las ondas reflejadas, muestran el mejor rendimiento en términos de correlación con el grado de la depresión, con un coeficiente de correlación r = −0.5. La correlación negativa implicaque un mayor grado de depresión se asocia con una disminución de la reactividadautónoma. El poder discriminativo de los biomarcadores del ANS se aprecia también por su alto rendimiento diagnóstico para clasificar a los sujetos como MDD o sanos, con una precisión de 80.0%. Por lo tanto, se puede concluir que los biomarcadores del ANS pueden usarse para evaluar el estrés y que la distensibilidad arterial deteriorada podría constituir un biomarcador de salud mental útil en el seguimiento de la depresión.This dissertation is focused on multi-modal and model-based signal processing techniques for deriving physiological parameters, i.e. biomarkers, related to the autonomic nervous system (ANS). The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers in mental health and illness offers the possibility to improve the assessment of stress and the monitoring of depression. For this purpose, the present document is structured in three main parts. In Part I, an introduction to mental health and illness is provided (Ch. 1). Moreover, a theoretical framework for investigating the etiology of mental disorders and the role of stress in mental illness is presented (Ch. 2). The importance of noninvasive biomarkers for ANS assessment, paying particular attention in clinical depression, is also highlighted (Ch. 3, 4). In Part II, themethodological framework for deriving ANS biomarkers is provided. Signal processing techniques include the joint analysis of heart rate variability (HRV) and respiratory signals (Ch. 6), novel techniques for deriving the respiratory signal from electrocardiogram (ECG) (Ch. 7), and a robust photoplethysmogram(PPG)waveform analysis based on amodel-based approach (Ch. 8). In Part III, ANS biomarkers are evaluated in stress assessment (Ch. 9) and in the monitoring of depression (Ch. 10). Part I:Mental health is not only related to that positive state ofwell-being, inwhich an individual can cope with the normal stresses of life, but also to the absence of mental illness. Mental illness or disorder can be defined as an emotional, cognitive, or behavioural disturbance that causes substantial functional impairment in one or more major life activities. The most common mental disorders, which are often co-occurring, are anxiety and major depressive disorder (MDD). Mental illness has a negative impact on the quality of life, since it is associated with considerable losses in health and functioning, and increases significantly a person’s risk for cardiovascular diseases. A common instigator underlying the co-morbidity between MDD, cardiovascular pathology, and anxiety is mental stress. Stress is common in our fast-paced society and strongly influences our mental health. In the short term, ANS controls the cardiovascular response to stressful stimuli. Regulation of physiological parameters, such as heart rate, respiratory rate, and blood pressure, allows the organism to respond to sudden changes in the environment. However, physiological adaptation to a regularly occurring environmental phenomenon alters biological systems involved in stress response. Neurobiological alterations in the brain can disrupt the function of the ANS. ANS dysfunction and structural brain changes have a negative impact on cognitive, emotional, and behavioral processes, thereby leading to development of mental illness. Part II: The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers offers the possibility to improve the assessment of stress in healthy individuals and ANS dysfunction in MDD patients. Joint analysis of various biosignals (multi-modal approach) allows for the quantification of interactions among biological systems associated with ANS, while the modeling of biosignals and subsequent analysis of the model’s parameters (model-based approach) allows for the robust quantification of changes in physiological mechanisms related to the ANS. A novel method, which takes into account both phase and frequency locking phenomena between respiration and HRV signals, for assessing quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling is proposed in Ch. 6.3. Novel techniques for improving the monitoring of respiration are proposed in Ch. 7. In Ch. 8, to increase the robustness for some morphological measurements reflecting arterial tone changes, the modeling of the PPG pulse as amain wave superposed with several reflected waves is considered. Part III: ANS biomarkers are evaluated in the assessment of different types of stress, either physiological or psychological, in healthy individuals, and then, in the monitoring of depression. In the presence of mental stress (Ch. 9.1), induced by cognitive tasks, healthy subjects show an increment in the respiratory rate and higher number of nonlinear interactions between respiration and HRV signal, which might be associated with a sympathetic activation, but also with a less regular breathing. In the presence of hemodynamic stress (Ch. 9.2), induced by a postural change, healthy subjects show a reduction in strength of the quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling, whichmight be related to a vagal withdrawal. In the presence of heat stress (Ch. 9.3), induced by exposure to elevated environmental temperatures, healthy subjects show an increased sympathovagal balance. This demonstrates that ANS biomarkers are able to assess different types of stress and they can be further explored in the context of depression monitoring. In Ch. 10, differences in ANS function between MDD and healthy subjects during a mental stress protocol are assessed, not only with the raw values of ANS biomarkers but also with autonomic reactivity indices, which reflect the ability of an individual to copewith a challenging situation. Results show that depression is associated with autonomic imbalance, characterized by increased sympathetic activity and reduced arterial compliance. Autonomic reactivity indices quantified by changes, from stress to recovery, in arterial stiffness surrogates, such as the PPG amplitude loss in wave reflections, show the best performance in terms of correlation with depression severity, yielding to correlation coefficient r = −0.5. The negative correlation implies that a higher degree of depression is associated with a decreased autonomic reactivity. The discriminative power of ANS biomarkers is supported by their high diagnostic performance for classifying subjects as having MDD or not, yielding to accuracy of 80.0%. Therefore, it can be concluded that ANS biomarkers can be used for assessing stress and that impaired arterial compliance might constitute a biomarker of mental health useful in the monitoring of depression.<br /

Bioelectric Signal Analysis to Expose Nervous Control of the Human Heart

This thesis describes the development of new methods to infer the nature of nervous control of the human heart using recordings of its electrical behaviour. Malfunctions of this control system are a leading cause of death, and can be triggered by a diverse range of influences including basic physiological factors and one’s emotional state. However, the mechanisms of failure remain poorly understood, partly due to a lack of relevant human data. The principal purpose of the work described in this thesis is to improve the availability of such data. A literature review was conducted, covering the current understanding of electrical activity in the heart and its control by the nervous system, as well as the techniques available to observe that behaviour. A variety of novel techniques were developed and implemented experimentally to demonstrate their utility. Specialised methods for the filtering and subsequent spectral analysis of electrocardiograph (ECG) signals were used to expose differences between psychologically distinct groups in terms of their response to emotional stimuli. Algorithms were developed to automatically process unipolar electrogram recordings with minimal human intervention, enabling the analysis of heterogeneous electrophysiological dynamics, which requires datasets of a size that would otherwise make in-depth analyses intractable. New indices were developed for measuring the timing of localised electrical activation and recovery from unipolar electrograms, in order to overcome the fact that conventional indices are not well suited to dynamic analyses. Experiments using these tools demonstrated that respiration induces heart-rate independent modulation of the ventricles’ electrophysiological behaviour via the autonomic nervous system. By improving the accessibility of human in situ data, the developed tools enable new research methodologies to study interactions between the heart and the nervous system, which may ultimately contribute to the development of new treatments to prevent thousands of deaths in the UK alone each year