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

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

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

Comparison of two cardiac output monitors, qCO and LiDCO, during general anesthesia

Background: Optimization of cardiac output (CO) has been evidenced to reduce postoperative complications and to expedite the recovery. Likewise, CO and other dynamic cardiac parameters can describe the systemic blood flow and tissue oxygenation state and can be useful in different clinical fields. This study aimed to validate the qCO monitor (Quantium Medical, Barcelona, Spain), a new device to estimate CO and other related parameters in a continuous, fully non-invasive way using advanced digital signal processing of impedance cardiography. Methods: The LiDCOrapidv2 (LiDCO Ltd, London, UK) was used to compare the performance of the qCO in 15 patients during major surgery under general anesthesia. Full surgeries were recorded and cardiac output obtained by both devices was compared by using correlation and Bland-Altman analysis. Results: The Bland-Altman analysis showed sufficient agreement with a mean bias of -0.03 ± 0.71 L/min. Conclusions: The findings showed that both systems offered comparable values and thus the non-invasive measurement of CO with qCO is a promising, feasible method. Further investigation will be required to validate this new device against calibrated devices and outcome studies would also be highly recommended.Postprint (author's final draft

Time-frequency features for impedance cardiography signals during anesthesia using different distribution kernels

Objective: This works investigates the time-frequency content of impedance cardiography signals during a propofol-remifentanil anesthesia. Materials and Methods: In the last years, impedance cardiography (ICG) is a technique which has gained much attention. However, ICG signals need further investigation. Time-Frequency Distributions (TFDs) with 5 different kernels are used in order to analyze impedance cardiography signals (ICG) before the start of the anesthesia and after the loss of consciousness. In total, ICG signals from one hundred and thirty-one consecutive patients undergoing major surgery under general anesthesia were analyzed. Several features were extracted from the calculated TFDs in order to characterize the time-frequency content of the ICG signals. Differences between those features before and after the loss of consciousness were studied. Results: The Extended Modified Beta Distribution (EMBD) was the kernel for which most features shows statistically significant changes between before and after the loss of consciousness. Among all analyzed features, those based on entropy showed a sensibility, specificity and area under the curve of the receiver operating characteristic above 60%. Conclusion: The anesthetic state of the patient is reflected on linear and non-linear features extracted from the TFDs of the ICG signals. Especially, the EMBD is a suitable kernel for the analysis of ICG signals and offers a great range of features which change according to the patient’s anesthesia state in a statistically significant way.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

The Social Values in 2006 Automobile Advertisements Broadcast in Spain

El presente artículo consiste en un análisis de contenido centrado en los valores sociales que vehiculan los spots de automóviles emitidos en las cadenas generalistas españolas de televisión de ámbito nacional durante el año 2006. Entre los valores atribuidos al producto destacan que se trata de un automóvil económico, seguro y veloz. Entre los valores atribuidos al consumidor se subraya que es joven o juvenil, que valora la tecnología y la seguridad, que es racional, que vive en un entorno urbano y es imaginativo u original. Entre los valores atribuidos a la marca destacan la originalidad o creatividad y la tecnología. La imagen de marca es una amalgama de significados procedentes de todos los elementos significantes de la pieza audiovisual. En la marca se deposita la fe en el progreso. La tecnología está tanto al servicio de la seguridad como de la emoción proporcionando emociones fuertes pero sin consecuencias negativas, como si de un videojuego se tratara.This article is a content analysis of the social values present in the car commercials broadcasted on Spain’s national television channels in 2006. Among the outstanding values attributed to the product are its low price, safety and speed. Among the notable values attributed to the consumers are youth, appreciation of technology and safety features, tendency to live in cities and creativity and imagination. Among the outstanding values attributed to the brand are originality and technology. The brand image is a mixture of meanings coming from all the elements of the audiovisual piece. A faith in progress is placed in the brand. The technology provides security as well as stimulation, Like a videogame, it provides strong feelings of excitement but without the negative consequences

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

Professional interventions to implement guidelines to prevent hazardous alcohol consumption by patients in primary care settings (Protocol)

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