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

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

2.4 GHz MIMO Antenna on Microstrip Technology

In this work, we have analyzed triangular and rectangular microstrip patches and their use in MIMO communication systems. Triangular patches have demonstrated a great capability of miniaturization due to its geometrical shape. Etching some slots in the patches changes the antenna frequency response so that dual-band and broadband designs are easily conceived. Several configurations are analyzed using the HFSS simulation software and a 2.4 GHz four-port MIMO antenna is fabricated on a FR-4 substrate. Simulation results and some graphics are also included.Escrivá Muñoz, J. (2009). 2.4 GHz MIMO Antenna on Microstrip Technology. Universitat Politècnica de València. http://hdl.handle.net/10251/38314Archivo delegad

Modelización y analisis del efecto de las arrítmias auriculares sobre la respuesta ventricular

La principal motivación del presente proyecto es profundizar en el comportamiento del nodo AV, puesto que, a pesar de su importancia en la correcta actividad del corazón, siguen existiendo muchas incógnitas relacionadas con los mecanismos de funcionamiento del mismo. En concreto, los mecanismos de propagación aurículo-ventriculares durante arritmias auriculares, como la fibrilación auricular (FA), sigue siendo una de las mayores incógnitas que se pretende esclarecer en la actualidad mediante la elaboración, uso y Modelización y analisis del efecto de las arrítmias auriculares sobre la respuesta ventricular estudio de modelos matemáticos como el que se presenta en este proyecto. No cabe duda, de que disponer de un conocimiento detallado de las propiedades de conducción del nodo AV, permitiría desarrollar nuevos tratamientos más efectivos que pudiesen ser utilizados para reducir los síntomas del flúter y la fibrilación auricular.Escrivá Muñoz, J. (2012). Modelización y analisis del efecto de las arrítmias auriculares sobre la respuesta ventricular. http://hdl.handle.net/10251/19030.Archivo delegad

Novel characterization method of impedance cardiography signals using time-frequency distributions

The purpose of this document is to describe a methodology to select the most adequate time-frequency distribution (TFD) kernel for the characterization of impedance cardiography signals (ICG). The predominant ICG beat was extracted from a patient and was synthetized using time-frequency variant Fourier approximations. These synthetized signals were used to optimize several TFD kernels according to a performance maximization. The optimized kernels were tested for noise resistance on a clinical database. The resulting optimized TFD kernels are presented with their performance calculated using newly proposed methods. The procedure explained in this work showcases a new method to select an appropriate kernel for ICG signals and compares the performance of different time-frequency kernels found in the literature for the case of ICG signals. We conclude that, for ICG signals, the performance (P) of the spectrogram with either Hanning or Hamming windows (P¿=¿0.780) and the extended modified beta distribution (P¿=¿0.765) provided similar results, higher than the rest of analyzed kernels.Peer ReviewedPostprint (published version

Generación de bioseñales sintéticas mediante series de Fourier variantes en el tiempo

[Resumen] La selección de la técnica más adecuada para el análisis de una señal tiempo-frecuencia depende en gran medida de la propia naturaleza de la señal objeto de análisis. Para ello, resulta adecuado utilizar señales sintéticas con un contenido tiempo-frecuencia conocido. En este trabajo se ha propuesto la construcción de una base de datos de señales biomédicas sintéticas a partir de la clasificación en patrones de señales reales. El objetivo de esta base de datos ha sido disponer de señales sintéticas con características tiempo-frecuencia predeterminadas y modificables con un comportamiento lo más realista posible.Este trabajo ha sido financiado dentro del programa de doctorado industrial DI-2014 de la Generalitat de Catalunya (España)https://doi.org/10.17979/spudc.978849749808

Novel characterization method of impedance cardiography signals using time-frequency distributions

The purpose of this document is to describe a methodology to select the most adequate time-frequency distribution (TFD) kernel for the characterization of impedance cardiography signals (ICG). The predominant ICG beat was extracted from a patient and was synthetized using time-frequency variant Fourier approximations. These synthetized signals were used to optimize several TFD kernels according to a performance maximization. The optimized kernels were tested for noise resistance on a clinical database. The resulting optimized TFD kernels are presented with their performance calculated using newly proposed methods. The procedure explained in this work showcases a new method to select an appropriate kernel for ICG signals and compares the performance of different time-frequency kernels found in the literature for the case of ICG signals. We conclude that, for ICG signals, the performance (P) of the spectrogram with either Hanning or Hamming windows (P¿=¿0.780) and the extended modified beta distribution (P¿=¿0.765) provided similar results, higher than the rest of analyzed kernels.Peer Reviewe

Maintenance and improvement of termal hydraulic system codes using results of OCDE experimentes (PKL, ROSA, ATLAS) and application to spanish nuclear power plants. CAMP-SPAIN project

[ES] La participación del Consejo de Seguridad Nuclear en diferentes programas experimentales internacionales en el ámbito de la termohidráulica dentro del marco de la NEA, ha permitido diseñar el alcance de una nueva etapa de las actividades del programa CAMPEspaña, que en la actualidad se centran en: - Análisis, simulación e investigación de aspectos específicos de seguridad de experimentos PKL3/0ECD y ATLAS/OECD. - Análisis de la aplicabilidad y/o extensión de los resultados de dichos proyectos para la seguridad, operación y disponibilidad de las plantas nucleares españolas. Ambos objetivos se llevan a cabo mediante la simulación de los experimentos y la aplicación a plantas españolas de las versiones más recientes de los códigos termohidraulicos de la US NRC (RELAP, TRACE). Otra aportación fina l de ambos tipos de análisis es la contribución de informes NUREG/IA sobre dichos análisis para CAMP. El desarrollo de las actividades se lleva a cabo por cinco grupos nacionales de investigación pertenecientes a las Universidades Politécnicas de Madrid, Valencia y Cataluña.[EN] CSN involvement in different nternational NEA expermental TH programmes has outlined the scope for a new period of CAMP-España activities, currently focused on the : - Analysisi, simulation and investigation of specific safety aspects of PKL3/OECD and ATLAS/OECD experimentes. - Analysisi of applicability and/or extension of the results in these projects to the safety, operation or availability of the Spanish nuclear power plants. Both objectives are carried out by simulating experiments and plant application with the last available versions of NRC TH codes (RELAPS or TRACE). A CAMP in-kind contribution (NUREG/IA) is aimed as final result of both types of analyses. Five different national research groups (from Technical Universities of Madrid, Valencia and Cataluña) are carrying out the development of these activities.Sánchez Perea, M.; Pérez, J.; Martorell Alsina, SS.; Carlos Alberola, S.; Villanueva López, JF.; Sanchez Saez, F.; Queral, C.... (2016). Mejora y mantenimiento de códigos termohidráulicos de sistema en base a resultados de los experimentos OECD (PKL, ROSA y ATLAS) y su aplicación a plantas españolas. Proyecto CAMP-ESPAÑA. Nuclear España. (373):37-42. http://hdl.handle.net/10251/99990S374237

Innovación Docente en la enseñanza de la Bioquímica y la Biología Molecular: Revistas digitales, clases invertidas y recursos didácticos para la enseñanza “en línea”

En este Proyecto de Innovación Docente (PID 335/20) se han realizado tres tipos de actividades: 1. Elaboración de revistas digitales 2. Implantación de la metodología de clase invertida 3. Desarrollo de materiales docentes par la implantación de la enseñanza "en línea" y formación del profesorado. En ella han participado 15 profesores del Dpto. de Bioquímica y Biología Molecular (Sección Farmacia), de 4 asignaturas diferentes: Bioquímica Aplicada y Clínica, Bioquímica, Biología Molecular y Genética. Los resultados han sido muy satisfactorios, ya que se ha conseguido la participación de un enorme número de alumnos de todas estas asignaturas, los cuales han quedado muy contentos y satisfechos, ya que ha fomentado su autoaprendizaje, su trabajo en grupo, su conocimiento del método científico y sus habilidades como divulgadores de ciencia