Research utilities in Matlab for ANVERSO project: Continuous and automatic analysis of electrocardiographic variables associated with the risk of sudden death in patients with Brugada syndrome

Adquisición y conversión de señales electrocardiográficas. Formato ISHNE a MATLABPreprin

Low level and high frequency fragmentation of the QRS changes during acute myocardial ischemia in patients with and without prior myocardial infarction

High frequency (HF) QRS fragmentation and very-low amplitude abnormal intra-QRS potential (uAIQP) analyses have been used to track ischemic changes during coronary artery occlusions. The aim of this study was to assess the relationship between these two techniques in detecting acute myocardial ischemia and the effects of a previous myocardial infarction (MI). Fifty-six patients who underwent elective percutaneous coronary intervention (PCI) procedures were selected and classified into 2 groups according to the presence of prior healed MI (old-MI) (n=18) or not (no_MI) (n=38). Continuous ECG before and during the PCI were recorded and signal-averaged. uAIQPs were obtained using a signal modelling approach. HFQRSRMS was obtained by band pass filtering the ECGs at 150 to 250 Hz. QRS-HFpower was estimated from a modeling power spectral technique. uAIQP and HF indices were obtained from a baseline and an occlusion-PCI ECG episode. uAIQP and HF values decreased (p<0.05) for each of the 12 leads at the PCI event respect to baseline in all patients and the no-MI group. Changes in uAIQP or HF did not separate the groups. uAIQP and QRS-HFpower values at baseline were lower in all leads, except V1-V2, in the old-MI groups compared to no-MI (p<0.05). Pearson’s correlation showed moderate relationship among the indices in most of leads. High-frequency QRS fragmentation indices could add diagnostic value to ST analysis for diagnosing ischemia when a baseline ECG information is available. Patients with old-MI presented lower uAIQP amplitudes compared to no-MI, however further studies are needed to elucidate the effects of old MI on very-low level fragmentation of the QRS.Peer ReviewedPostprint (published version

Caracterización de potenciales anormales intra-QRS en el ECG de alta resolución: aplicación en la evaluación de cardiopatías

L'electrocardiograma (ECG) és el registre no invasiu més utilitzat per a estudiar l'activitat elèctrica del cor. L'anàlisi d'aquests senyals per computador ha estat un camp d'investigació recent de la Bioenginyeria, amb la finalitat d'ajudar en l'estudi i diagnòstic de cardiopaties. L'ECG d'alta resolució (ECGAR) és el producte de tècniques, basades en computador, que milloren la relació senyal-soroll dels senyals provinents del cor, i és utilitzat per a registrar potencials de molt baixa amplitud i alts continguts freqüencials. La principal aplicació del ECGAR està associada amb la detecció de potencials tardans ventriculars (LP) que sobrepassen el període normal del QRS. La presència de LP en el ECGAR ha estat relacionada amb substrats de re-entrada en teixits danyats del miocardi, causants de taquicàrdia ventricular.En aquesta tesi s'han desenvolupat nous indicadors de despolaritzacions ventriculars anormals que ocorren al llarg del complex QRS del ECGAR. S'ha presentat el concepte de potencials anormals intra-QRS (AIQP), estenent el concepte de senyals patofisiològiques, com els LP, sobre el període normal del QRS. Les principals aportacions realitzades en aquest treball es troben en el processat de senyals ECGAR mitjançant tècniques de modelatge i identificació de sistemes, la caracterització dels AIQP, i les seves aplicacions en l'avaluació de cardiopatíes.En el primer capítol es presenta el problema abordat i els objectius de la tesi, així com una descripció dels principis fisiològics i característiques del ECG.En el segon capítol es fa una revisió dels antecedents del ECGAR. Es presenta l'estat de l'art d'aquesta tècnica quant a mètodes d'obtenció clàssics i tendències actuals, i en l'anàlisi de potencials tardans en els dominis temporal i freqüencial, i mitjançant representacions temps-freqüència.En el tercer capítol es desenvolupa un mètode per a caracteritzar potencials anormals intra- QRS, mitjançant tècniques de modelatge del ECGAR, amb estructures paramètriques lineals, utilitzant el domini de la transformada discreta del cosinus (DCT). Es presenta el concepte dels AIQP i s'estudien les seves bases patofisiològiques, justificant el seu ús en aplicacions clíniques. L'habilitat de la tècnica va ser demostrada en un estudi simulat i en senyals reals de pacients.En el capítol quart es presenta un enfocament nou per a modelar senyals ECGAR amb estructures paramètriques no lineals. Aquestes tècniques són aplicades en la caracterització dels AIQP. El mètode utilitzat està basat en tècniques d'identificació de sistemes no lineals per a modelar la part normal del QRS. Es va emprar una estructura auto-regressiva amb entrada exògena no lineal (NARX), parametritzada amb una xarxa neuronal tipus perceptrón multicapa. El modelatge no lineal va permetre caracteritzar els AIQP en senyals reals de pacients sense el pre-processat del ECGAR en el domini de la DCT. En el capítol cinquè s'analitzen tècniques de classificació de grups de pacients, emprant funcions discriminants trobades amb mètodes d'optimització no lineal. Aquestes tècniques permeten proposar valors crítics AQIP per a separar els grups de senyals ECGAR d'estudi, amb la finalitat d'optimitzar l'exactitud en la predicció clínica.En el sisè capítol s'apliquen les tècniques de caracterització dels AIQP en l'avaluació de pacients amb taquicàrdia ventricular (TV), posterior a un infart de miocardi (IM). Els resultats obtinguts amb els nous índexs AIQP representen un aporti significatiu per a detectar potencials provenint de substrats de re-entrada. En un estudi sobre una població de 173 pacients post IM, amb una prevalença típica de TV, els índexs AIQP han aportat un increment de l'exactitud (90 %) i del valor predictiu positiu (47 %) del ECGAR.En el setè capítol es presenten dues aplicacions clíniques. En primer lloc, es realitza una avaluació de potencials anormals amidats en el ECGAR de pacients en diferents etapes de miocarditis chagásica. Els resultats obtinguts amb els índexs AIQP demostren diferències altament significatives entre diferents grups de pacients, classificats d'acord a l'avanç de la malaltia. Es presenta un segon estudi on s'avaluen esdeveniments isquémics transitoris durant angioplàstia coronària transluminal percutània (PTCA). Els resultats mostren canvis dinàmics en els ECGAR, obtinguts de seqüències de batecs consecutius, a l'utilitzar els índexs AIQP. L'aplicació dels mètodes desenvolupats en aquesta tesi, per al processat del ECGAR, ha permès la caracterització i quantificació de senyals provinents de despolaritzacions ventriculars anormals. L'aplicació clínica d'aquests mètodes ha produït un aporti significatiu en l'avaluació no invasiva amb el ECGAR de diferents cardiopaties.El electrocardiograma (ECG) es el registro no invasivo más utilizado para estudiar la actividad eléctrica del corazón. El análisis de estas señales por computador ha sido un campo de investigación reciente de la Bioingeniería, con la finalidad de ayudar en el estudio y diagnóstico de cardiopatías. El ECG de alta resolución (ECGAR) es el producto de técnicas, basadas en computador, que mejoran la relación señal-ruido de las señales provenientes del corazón, y es utilizado para registrar potenciales de muy baja amplitud y altos contenidos frecuenciales. La principal aplicación del ECGAR está asociada con la detección de potenciales tardíos ventriculares (LP) que sobrepasan el periodo normal del QRS. La presencia de LP en el ECGAR ha estado relacionada con substratos de reentrada en tejidos dañados del miocardio, causantes de taquicardia ventricular.En esta tesis se han desarrollado nuevos indicadores de despolarizaciones ventriculares anormales que ocurren a lo largo del complejo QRS del ECGAR. Se ha presentado el concepto de potenciales anormales intra-QRS (AIQP), extendiendo el concepto de señales patofisiológicas, como los LP, sobre el periodo normal del QRS. Las principales aportaciones realizadas en este trabajo se encuentran en el procesado de señales ECGAR mediante técnicas de modelado e identificación de sistemas, la caracterización de los AIQP, y sus aplicaciones en la evaluación de cardiopatías.En el primer capítulo se presenta el problema abordado y los objetivos de la tesis, así como una descripción de los principios fisiológicos y características del ECG.En el segundo capítulo se hace una revisión de los antecedentes del ECGAR. Se presenta el estado del arte de esta técnica en cuanto a métodos de obtención clásicos y tendencias actuales, y en el análisis de potenciales tardíos en los dominios temporal y frecuencial, y mediante representaciones tiempo-frecuencia. En el tercer capítulo se desarrolla un método para caracterizar potenciales anormales intra QRS, mediante técnicas de modelado del ECGAR, con estructuras paramétricas lineales, utilizando el dominio de la transformada discreta del coseno (DCT). Se presenta el concepto de los AIQP y se estudian sus bases patofisiológicas, justificando su uso en aplicaciones clínicas. La habilidad de la técnica fue demostrada en un estudio simulado y en señales reales de pacientes.En el capítulo cuarto se presenta un enfoque novedoso para modelar señales ECGAR con estructuras paramétricas no lineales. Estas técnicas son aplicadas en la caracterización de los AIQP. El método utilizado está basado en técnicas de identificación de sistemas no lineales para modelar la parte normal del QRS. Se empleó una estructura auto-regresiva con entrada exógena no lineal (NARX), parametrizada con una red neuronal tipo perceptrón multicapa. El modelado no lineal permitió caracterizar los AIQP en señales reales de pacientes sin el pre-procesado del ECGAR en el dominio de la DCT. En el capítulo quinto se analizan técnicas de clasificación de grupos de pacientes, empleando funciones discriminantes halladas con métodos de optimización no lineal. Estas técnicas permiten proponer valores críticos AQIP para separar los grupos de señales ECGAR de estudio, con el fin de optimizar la exactitud en la predicción clínica.En el sexto capítulo se aplican las técnicas de caracterización de los AIQP en la evaluación de pacientes con taquicardia ventricular (TV), posterior a un infarto de miocardio (IM). Los resultados obtenidos con los nuevos índices AIQP representan un aporte significativo para detectar potenciales provenientes de substratos de reentrada. En un estudio sobre una población de 173 pacientes post IM, con una prevalencia típica de TV, los índices AIQP han aportado un incremento de la exactitud (90 %) y del valor predictivo positivo (47 %) del ECGAR.En el séptimo capítulo se presentan dos aplicaciones clínicas. En primer lugar, se realiza una evaluación de potenciales anormales medidos en el ECGAR de pacientes en distintas etapas de miocarditis chagásica. Los resultados obtenidos con los índices AIQP demuestran diferencias altamente significativas entre distintos grupos de pacientes, clasificados de acuerdo al avance de la enfermedad. Se presenta un segundo estudio donde se evalúan eventos isquémicos transitorios durante angioplastia coronaria transluminar percutánea (PTCA). Los resultados muestran cambios dinámicos en los ECGAR, obtenidos de secuencias de latidos consecutivos, al utilizar los índices AIQP. La aplicación de los métodos desarrollados en esta tesis, para el procesado del ECGAR, ha permitido la caracterización y cuantificación de señales provenientes de despolarizaciones ventriculares anormales. La aplicación clínica de estos métodos ha producido un aporte significativo en la evaluación no invasiva con el ECGAR de diferentes cardiopatías.The electrocardiogram (ECG) is the most widely non-invasive record used for studying the electrical activity of the heart. The computer analysis of these signals has been a recent and important field of research of Bioengineering in order to help in the study and diagnosis of cardiopathies. The high resolution ECG (HRECG) is the result of computer based techniques which improve the signal-to-noise ratio of electrical signals coming from the heart, and it is used to characterize low-amplitude and high-frequency potentials. The main HRECG application is used in ventricular late potentials (LP) detection that that outlast the period of normal ventricular depolarization (QRS). The presence of LP in the HRECG has been linked with the presence of a reentry substrate for ventricular tachycardia (VT) after a myocardial infarction.In this thesis new indexes of abnormal ventricular depolarization occurring within the QRS period of the HRECG have been developed. The concept of abnormal intra-QRS potentials (AIQP) has been presented, extending the concept of pathophysiological late signals, as LP, over the whole QRS period. The main contributions done in this work are related with: HRECG signal processing using modelling and identification systems techniques; AIQP characterization; and its application on the assessment of cardiopathies.In the first chapter the treated problem is presented and the objectives of the thesis, as well as a description of the physiological principles and characteristics of the ECG.The second chapter shows a revision of the antecedents of the HRECG. The state-of-the-art of this technique is presented as classic and actual tendencies of the methods, the analysis of late potentials in temporal and frequency domains, and by means of time-frequency representations.In the third chapter a method is developed to characterize abnormal intra-QRS potentials, by means of ECGAR modelling techniques, with parametric linear structures, using the discrete cosine transform (DCT) domain. The concept of the AIQPs is presented and their pathophysiological bases are analyzed, justifying their use in clinical applications. The ability of the technique was demonstrated in a simulated study and real signals of patients. In chapter four a novel approach is presented to model ECGAR signals with nonlinear parametric structures. These techniques are applied in the characterization of AIQP. The used method is based on techniques of nonlinear systems identification to model the normal part of the QRS. An auto-regressive nonlinear structure with exogenous input (NARX) was used, parameterized by a multilayer feed-forward neural network (multilayer perceptron). The nonlinear modelling allowed to characterize AIQPs in real signals of patients without the pre-processing the HRECG in the DCT domain.Chapter five presents analyzing techniques for patient groups, using found discriminant functions with nonlinear optimization methods. These techniques allow proposing critical AQIP values to separate the study HRECG signal groups, with the purpose of optimizing the accuracy in clinical prediction.The sixth chapter shows the application of AIQP characterization techniques in the evaluation of patients with ventricular tachycardia (VT), after myocardial infarct (MI). The results obtained with these new AIQP indices represent a significant contribution to detect abnormal potentials from re-entry substrate. In a study on a population of 173 patients with post IM, with a typical prevalence of VT, AIQP indices have contributed an increase of the accuracy (90 %) and positive predictive value (47 %) of the HRECG.In the seventh chapter two clinical applications appear. Firstly, an evaluation of abnormal potentials measured in the HRECG of patients in different stages of chagasic myocarditis is made. Results obtained with AIQP indices show highly significant differences among different groups of patients, classified according to the advance of the disease. A second study is presented where transient ischemic events are evaluated during percutaneous transluminal coronary angioplasty (PTCA). Results show dynamic changes in the HRECG, obtained from consecutive beats sequences, when using AIQP indices.The application of the methods developed in this thesis, for the HRECG signal processing, has allowed to characterize and quantified abnormal ventricular depolarization signals. The clinical application of these methods has produced a significant contribution to the non-invasive evaluation of different cardiopathies using the HRECG technique

Estimación espectral de señales biomédicas. Métodos clásicos (FFT) y paramétricos: aplicaciones prácticas con Matlab

2013/201

Application of the entropy of approximation for the nonlinear characterizationin patients with Chagas disease

Chagas disease American trypanosomiasis is caused by a flagellated parasite: Trypanosoma cruzi, transmitted by an insect of the genus Triatoma and also by blood transfusions. In Latin America, the number of infected people is approximately 6 million, with a population exposed to the risk of infection of 550000. It is our interest to develop a non-invasive and low-cost methodology, capable of detecting any early cardiac alteration that also allows us to see dysautonomia or dysfunction within 24 hours and with this it could be used to detect any cardiac alteration caused by T early Cruzi. For this, we analyzed the 24-hour Holter ECG records in 107 patients with ECG abnormalities (CH2), 102 patients without ECG alterations (CH1) who had positive serological results for Chagas disease and 83 volunteers without positive serological results for Chagas disease (CONTROL). Approximate entropy was used to quantify the regularity of electrocardiograms (ECG) in the three groups. We analyzed 288 ECG segments per patient. Significant differences were found between the CONTROL-CH1, CONTROL-CH2 and CH1-CH2 groups.Postprint (published version

Heart rate differences between symptomatic and asymptomatic Brugada syndrome patients at night

Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Analysis of ECG in athletes running in mountain route conditions

The purpose of this work is to analyse changes in ECG and heart rate variability (HRV) metrics in athletes during 10 km running in mountain route conditions. Eighteen healthy athletes carrying a 12-lead ECG GE Holter recorder and a heart rate monitor ran a route with slopes similar as trail races. QRS duration, QRS area, R-wave peak, ST elevation at J-point and J+60 ms, ST slope and T-wave peak indices were computed after signal-averaging ECG segments at different sloping stages of running (S1-S6) and at a control stage (S0) before running. HRV analysis included standard time and frequency metrics: mean RR (normal, N) interval, SDNN, RMSSD, low and high frequency absolute and normalized power (LF, HF, LFn, HFn) and LF/HF ratio. QRS area and R-peak were reduced during stage 1 in lateral leads, comparing to rest before running. ST slope was significantly higher during upslope stages in leads II, V4 and V5. T-wave amplitude increased significantly in precordial leads during upload running. ST segment depressed in leads II, III and V5 respect control. Mean RR, SDNN, LF and LFn showed high significant differences (p<0.01) among stages and HF and LF/HF were also varying (p<0.05). Changes of ECG and HRV indices can help understanding the cardiac function in runners performing extreme stress.Postprint (published version

Model-based analysis of the autonomic response to head-up tilt testing in Brugada syndrome

The etiology of Brugada syndrome (BS) is complex and multifactorial, making risk stratification in this population a major challenge. Since changes in the autonomic modulation of these patients are commonly related to arrhythmic events, we analyze in this work whether the response to head-up tilt (HUT) testing on this population may provide useful, complementary information for risk stratification. In order to perform this analysis, a coupled physiological model integrating the cardiac electrical activity, the cardiovascular system and the baroreceptors reflex control of the autonomic function, in response to HUT is proposed. A sensitivity analysis was performed, based on a screening method, evidencing the influence of cardiovascular parameters on blood pressure and of baroreflex regulation on heart rate. The most sensitive parameters have been identified on a set of 20 subjects (8 controls and 12 BS patients), so as to assess subject-specific model parameters. According to the results, controls showed an increased sympathetic modulation after tilting, as well as a reduced left ventricular contractility was observed in symptomatic, with respect to asymptomatic BS patients. These results provide new insights regarding the autonomic mechanisms regulating the cardiovascular system in BS which might be used as a complementary source of information, along with classical electrophysiological parameters, for BS risk stratification.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Análisis del ECG para la detección automática del patrón característico del síndrome de Brugada

El síndrome de Brugada es una enfermedad hereditaria caracterizada por un patrón electrocardiográfico característico, así como por un aumento del riesgo de sufrir arritmias cardíacas y muerte súbita. No existen actualmente indicadores objetivos que permitan determinar el riesgo individual, por lo que la elegibilidad para la implantación de desfibriladores automáticos implantables con el fin de prevenir eventos de muerte súbita genera todavía gran controversia. Dado que el electrocardiograma (ECG) proporciona información cardíaca de forma no invasiva, se presenta un algoritmo automático capaz de detectar parámetros electrocardiográficos relevantes en la enfermedad. De este modo, futuros estudios que incluyan grandes series de pacientes permitirán determinar el valor pronóstico de las diferentes variables detectadas. El algoritmo integra funciones disponibles previamente desarrolladas para la lectura y delineación de señales ECG y propone una expansión centrada en la detección de parámetros como la carga de latidos con patrón de Brugada, elevación del segmento ST, duración del segmento ST y de los intervalos PR, QRS y QTc, la variabilidad del ritmo cardíaco (VRC), la alternancia de la onda T o la carga de extrasístoles ventriculares, entre otros. El código se testeó en registros ECG continuos de 12 derivaciones y 24 horas de duración de dos pacientes con diferentes grados de severidad y un caso control, obteniendo tendencias relacionadas con la VRC y la carga de latidos con patrón de Brugada. Asimismo, se analizaron diferentes colocaciones de los electrodos con el objetivo de concluir la configuración más sensible para la detección del patrón característico.Postprint (published version

Classification de séries temporelles par modèles markoviens cachés, application à l'ischémie myocardique

A new method for myocardial ischemia detection is proposed in this communication. The originality of this method relies on the consideration of the dynamics of times series extracted from the ECG whereas traditionnal methods are simply based on static measures. After the extraction of a feature vector, the dynamics are caracterised with an Hidden Semi-Markovian Model (HSMM). The ischemic detector uses a reference HSMM and an ischemic HSMM and then compare the likelihood of the time series. Results obtained with PTCA (percutaneous transluminal coronary angioplasty) records of the STAFF3 database show a very good detection rate (96% of sensibility and 80% of specificity).Postprint (published version