Automatic contraction detection using uterine electromyography

UIDB/00066/2020 UID/MAT/04561/2019 PD/BDE/150312/2019Electrohysterography (EHG) is a promising technique for pregnancy monitoring and preterm risk evaluation. It allows for uterine contraction monitoring as early as the 20th gestational week, and it is a non-invasive technique based on recording the electric signal of the uterine muscle activity from electrodes located in the abdominal surface. In this work, EHG-based contraction detection methodologies are applied using signal envelope features. Automatic contraction detection is an important step for the development of unsupervised pregnancy monitoring systems based on EHG. The exploratory methodologies include wavelet energy, Teager energy, root mean square (RMS), squared RMS, and Hilbert envelope. In this work, two main features were evaluated: contraction detection and its related delineation accuracy. The squared RMS produced the best contraction (97.15 ± 4.66%) and delineation (89.43 ± 8.10%) accuracy and the lowest false positive rate (0.63%). Despite the wavelet energy method having a contraction accuracy (92.28%) below the first-rated method, its standard deviation was the second best (6.66%). The average false positive rate ranged between 0.63% and 4.74%—a remarkably low value.publishersversionpublishe

Unsupervised Classification of Uterine Contractions Recorded Using Electrohysterography

Pregnancy still poses health risks that are not attended to by current clinical practice motorization procedures. Electrohysterography (EHG) record signals are analyzed in the course of this thesis as a contribution and effort to evaluate their suitability for pregnancy monitoring. The presented work is a contributes with an unsupervised classification solution for uterine contractile segments to FCT’s Uterine Explorer (UEX) project, which explores analysis procedures for EHG records. In a first part, applied processing procedures are presented and a brief exploration of the best practices for these. The procedures include those to elevate the representation of uterine events relevant characteristics, ease further computation requirements, extraction of contractile segments and spectral estimation. More detail is put into the study of which characteristics should be chosen to represent uterine events in the classification process and feature selection methods. To such end, it is presented the application of a principal component analysis (PCA) to three sets: interpolated contractile events, contractions power spectral densities, and to a number of computed features that attempt evidencing time, spectral and non-linear characteristics usually used in EHG related studies. Subsequently, a wrapper model approach is presented as a mean to optimize the feature set through cyclically attempting the removal and re-addition of features based on clustering results. This approach takes advantage of the fact that one class is known beforehand to use its classification accuracy as the criteria that defines whether the modification made to the feature set was ominous. Furthermore, this work also includes the implementation of a visualization tool that allows inspecting the effect of each processing procedure, the uterine events detected by different methods and clusters they were associated to by the final iteration of the wrapper model

A Comprehensive Review of Techniques for Processing and Analyzing Fetal Heart Rate Signals

The availability of standardized guidelines regarding the use of electronic fetal monitoring (EFM) in clinical practice has not effectively helped to solve the main drawbacks of fetal heart rate (FHR) surveillance methodology, which still presents inter- and intra-observer variability as well as uncertainty in the classification of unreassuring or risky FHR recordings. Given the clinical relevance of the interpretation of FHR traces as well as the role of FHR as a marker of fetal wellbeing autonomous nervous system development, many different approaches for computerized processing and analysis of FHR patterns have been proposed in the literature. The objective of this review is to describe the techniques, methodologies, and algorithms proposed in this field so far, reporting their main achievements and discussing the value they brought to the scientific and clinical community. The review explores the following two main approaches to the processing and analysis of FHR signals: traditional (or linear) methodologies, namely, time and frequency domain analysis, and less conventional (or nonlinear) techniques. In this scenario, the emerging role and the opportunities offered by Artificial Intelligence tools, representing the future direction of EFM, are also discussed with a specific focus on the use of Artificial Neural Networks, whose application to the analysis of accelerations in FHR signals is also examined in a case study conducted by the authors

Uterine Contraction Modeling and Simulation

Building a training system for medical personnel to properly interpret fetal heart rate tracing requires developing accurate models that can relate various signal patterns to certain pathologies. In addition to modeling the fetal heart rate signal itself, the change of uterine pressure that bears strong relation to fetal heart rate and provides indications of maternal and fetal status should also be considered. In this work, we have developed a group of parametric models to simulate uterine contractions during labor and delivery. Through analysis of real patient records, we propose to model uterine contraction signals by three major components: regular contractions, impulsive noise caused by fetal movements, and low amplitude noise invoked by maternal breathing and measuring apparatus. The regular contractions are modeled by an asymmetric generalized Gaussian function and least squares estimation is used to compute the parameter values of the asymmetric generalized Gaussian function based on uterine contractions of real patients. Regular contractions are detected based on thresholding and derivative analysis of uterine contractions. Impulsive noise caused by fetal movements and low amplitude noise by maternal breathing and measuring apparatus are modeled by rational polynomial functions and Perlin noise, respectively. Experiment results show the synthesized uterine contractions can mimic the real uterine contractions realistically, demonstrating the effectiveness of the proposed algorithm

Uterine contractions clustering based on surface electromyography: an input for pregnancy monitoring

Tese de mestrado em Bioestatística, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Inicialmente a investigação da contratilidade uterina recorria à utilização de dois métodos: o tocograma externo e o cateter de pressão intrauterino. Ambos os métodos apresentam limitações ao nível da avaliação do risco de parto prematuro e na monitorização da gravidez. O EHG (Electrohisterograma) é um método alternativo ao tocograma externo e ao cateter de pressão intrauterino. Este método pode ser aplicado de forma invasiva no músculo uterino, ou de forma não invasiva através de elétrodos colocados no abdómen. O EHG tem sido considerado uma ferramenta adequada para a monitorização da gravidez e do parto. O índice de massa corporal tem um impacto quase impercetível no EHG, sendo esta uma das principais características deste método. O EHG pode também ser utilizado para identificar as mulheres que vão entrar em trabalho de parto e ainda auxiliar na tomada de decisão médica quanto à utilização da terapia tocolítica (antagonista da oxitocina), evitando deste modo a ingestão de medicação desnecessária e os consequentes efeitos secundários. Na literatura existem apenas cinco casos publicados em que foi realizada uma separação dos principais eventos do sinal EHG: contrações, movimentos fetais, ondas Alvarez e ondas LDBF (Longue Durée Basse Fréquence). Em três das publicações a separação dos eventos foi feita manualmente e nos restantes casos algoritmos, como redes neuronais, foram aplicados ao EHG. As ondas Alvarez e as Braxton-Hicks são as mais reconhecidas. As ondas Alvarez foram descritas pela primeira vez nos anos cinquenta e as Braxton-Hicks foram descritas pela primeira vez em 1872 sendo detetadas através de palpação. As ondas Alvarez são ocasionalmente sentidas pela mulher. Estas ondas estão localizadas numa pequena área do tecido uterino sem propagação e podem levar a contrações com maior intensidade e, consequentemente, ao parto pré-termo. As Braxton-Hicks são contrações ineficientes registadas a partir da 20ª semana de gravidez que se tornam mais frequentes e intensas com o decorrer da gravidez. Estas contrações são menos localizadas que as ondas Alvarez e, durante o parto, propagam-se por todo o tecido uterino num curto período de tempo. As Braxton-Hicks estão associadas a uma diminuição do ritmo cardíaco fetal. As ondas LDBF são contrações de longa duração associadas a hipertonia uterina, quando há contração do tecido uterino sem retorno ao relaxamento muscular, o que representa um risco na gravidez. Neste trabalho foram utilizadas duas bases de dados. Na base de dados da Islândia existem 122 registos de 45 mulheres, dos quais apenas 4 correspondem a partos pré-termo. Na base de dados TPEHG (Term-Preterm EHG) existem 300 registos, dos quais 38 correspondem a partos pré-termo. Neste trabalho foram escolhidos canais bipolares, visto que estes reduzem o ruído idêntico, como o ECG (Eletrocardiograma) materno ou movimentos respiratórios. Para ambas as bases de dados os sinais originais de EHG foram processados e filtrados. Na estimação espetral foram considerados dois métodos: paramétricos e não paramétricos. O método Welch foi escolhido pois representa um bom compromisso entre ambos. Este método foi utilizado para calcular o espectro de cada evento detetado no sinal EHG. Para detetar os eventos no sinal EHG foram considerados cinco métodos baseados na energia ou amplitude. O método Wavelet foi o escolhido pois após uma inspeção visual, este era o método que delineava melhor as contrações. Na base de dados da Islândia foram identificadas 3136 contrações e na TPEHG foram encontradas 4622 contrações. O objetivo principal desta tese é obter clusters de contrações detetadas no sinal EHG. No entanto, as contrações são séries temporais não estacionárias, e a sua classificação visual é inviável a longo termo e também difícil de aplicar na prática clínica. Existem vários parâmetros que podem ser extraídos do sinal EHG, mas o espectro das contrações foi o método escolhido visto que este representa o sinal EHG e tem sempre a mesma dimensão, independentemente da duração da contração. As distâncias espetrais têm sido utilizadas com sucesso no reconhecimento áudio. Neste trabalho foi realizada uma aplicação desse método ao processamento do EHG, no qual foram realizados os ajustes necessários. Para comparar os espectros foram estudadas 8 distâncias diferentes: Itakura-Saito, COSH, Itakura, Itakura simétrica, Kullback-Leibler, Jeffrey, Rényi e Jensen-Rényi. Apenas as distâncias simétricas foram selecionadas para um estudo mais detalhado visto que estas são, segundo a literatura, as distâncias mais adequadas aquando do clustering. Após comparação das distâncias simétricas, a divergência de Jeffrey foi a selecionada para a comparação dos espectros. Nesta tese foram avaliados três métodos diferentes de clustering: o linkage, o K-means e o K-medoids. O linkage é um método hierárquico. Os clusters que resultam do agrupamento hierárquico estão organizados numa estrutura chamada dendrograma. No agrupamento hierárquico, não é necessário predeterminar o número de clusters, o que torna este um método ideal na exploração dos dados. O K-means e o K-medoids são métodos de partição, nos quais os dados são separados em k clusters decididos previamente. Os clusters são definidos de forma a otimizar a função da distância. No algoritmo K-means, os clusters baseiam-se na proximidade entre si de acordo com uma distância predeterminada. A diferença entre o K-medoids e o K-means é que o K-medoids escolhe pontos de dados como centros, chamados de medoides, enquanto K-means usa centróides. Após uma comparação dos diferentes métodos de clustering foi escolhido neste trabalho foi o average linkage, visto que este apresentava melhores resultados quer na separação dos espectros quer na silhueta. É então apresentado um método inovador no qual se utiliza todo o espectro das contrações detetadas automaticamente no EHG para o clustering não supervisionado. Esta técnica é uma contribuição para a classificação automática das diferentes contrações, especialmente aquelas mais reconhecidas na literatura: Alvarez e Braxton-Hicks. Era expectável encontrar um cluster isolado com as ondas LDBF, visto que estas representam um risco para o feto. O principal objetivo era juntar num cluster os espectros semelhantes das contrações, e relacioná-lo com o respetivo tipo de contração. Essa tarefa foi concluída através da identificação positiva de Alvarez e Braxton-Hicks. O clustering forneceu ainda algumas pistas sobre ondas Alvarez que não foram encontradas com o algoritmo de deteção de contrações, situação para a qual um método alternativo é apresentado. É sugerido que as ondas Alvarez sejam detetadas com métodos baseados na frequência, como, por exemplo, a frequência instantânea, no entanto este método não foi desenvolvido neste trabalho. Em relação às ondas LDBF, estas foram encontradas no cluster das Braxton-Hicks. É sugerido que a deteção das ondas LDBF seja baseada na sua caraterística mais distinta: a longa duração. Verificou-se que os casos pré-termo e os registos pré-parto não ficaram isolados num cluster, não se tendo encontrado uma relação entre a idade gestacional e o tipo de contração. Conclui-se que as contrações mais curtas apresentam maior amplitude do que as contrações com maior duração. Baseado em estudos anteriores sobre a eletrofisiologia do útero, supõem-se que o início do trabalho de parto pré-termo e termo esteja associado a sequências específicas de diferentes tipos de contrações, nas quais as ondas Alvares desempenham um papel importante. As contrações identificadas como Alvarez e Braxton-Hicks não são usadas como tal na prática clínica apesar de a maioria das contrações detetadas pelo tocograma serem Braxton-Hicks. O interesse pelas ondas Alvarez diminuiu rapidamente visto que estas ondas são praticamente indetetáveis pelo método de referência de deteção de contrações: o tocograma. As capacidades e a resolução do EHG levaram à renovação do estudo das contrações mais subtis, incluindo as Alvarez. Este trabalho é uma contribuição para a investigação nesta área.An innovative technique is introduced wherein where an unsupervised clustering method using as feature the whole spectrum of automatically detected contractions on the EHG (Electrohysterogram) is presented as a contribution to the automatic classification of the different uterine contractions, at least those that have been most recognized in the literature: Alvarez and Braxton-Hicks. It was expected to also be able to cluster the LDBF (Longue Durée Basse Fréquence) components, as these pose a fetal risk. The main task was to have the spectral contractions descriptions clustered and linked to the respective contraction type. That task was completed with positive identification of the Alvarez and Braxton-Hicks. The clustering process also provided clues regarding the missed Alvarez waves in the contraction detection algorithm, for which an alternative technique is suggested but not developed in this work. Regarding the LDBF they were found in the Braxton-Hicks cluster. It is suggested the LDBF´s to be detected based in their most prominent feature: the long duration. It is presented the rationale behind the selection of a cost function to be used in the spectral distance’s algorithm. Spectral distances have been successfully used in audio recognition and this works represents an application to the EHG processing, for which the necessary adjustments have to be implemented. It was found that no single cluster pointed to the preterm cases, or indeed to the pre-labor subject recordings. It is hypothesized, based on previous studies in uterine electrophysiology, that the initiation of pre-term or term labor should be associated with triggering contraction sequences of different types, where the Alvarez waves play a major role. Alvarez and Braxton-Hicks, labeled as such, are not typically used in the clinical environment despite most of the Tocogram detected contractions being the latter. Alvarez waves are not usually detectable by the Tocogram. Alvarez were firstly detected invasively in the early fifties, and Braxton-Hicks in 1872 using routine palpation techniques. The interest in Alvarez components declined rapidly since being practically undetectable by the de facto reference in the contraction detection: the Tocogram. The EHG capabilities and resolution made it possible to revive the research on the most subtle uterine contractions, Alvarez included and this work is a contribution in this research area

Feature Extraction and Classification of EHG between Pregnancy and Labour Group Using Hilbert-Huang Transform and Extreme Learning Machine

Preterm birth (PTB) is the leading cause of perinatal mortality and long-term morbidity, which results in significant health and economic problems. The early detection of PTB has great significance for its prevention. The electrohysterogram (EHG) related to uterine contraction is a noninvasive, real-time, and automatic novel technology which can be used to detect, diagnose, or predict PTB. This paper presents a method for feature extraction and classification of EHG between pregnancy and labour group, based on Hilbert-Huang transform (HHT) and extreme learning machine (ELM). For each sample, each channel was decomposed into a set of intrinsic mode functions (IMFs) using empirical mode decomposition (EMD). Then, the Hilbert transform was applied to IMF to obtain analytic function. The maximum amplitude of analytic function was extracted as feature. The identification model was constructed based on ELM. Experimental results reveal that the best classification performance of the proposed method can reach an accuracy of 88.00%, a sensitivity of 91.30%, and a specificity of 85.19%. The area under receiver operating characteristic (ROC) curve is 0.88. Finally, experimental results indicate that the method developed in this work could be effective in the classification of EHG between pregnancy and labour group