ECG de Alta Resolución - UNSJdea.unsj.edu.ar/bioinstrumentacion2/Unidad 2... · • El método de correlación cruzada temporal es la técnica de alineamiento más usada en registros

16/08/2013

1

ECG de Alta Resolución

BIOINSTRUMENTACIÓN II

Dr. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica

Universidad Nacional de San [email protected]

Indice

Introducción

Índice

Detección de ciclos cardíacos

Alineamiento de latidos

Promediado de latidos

Conclusiones

Análisis temporal de los PTV

2

16/08/2013

2

Indice

Introducción

Índice

3

IndiceIntroducción

ECG de Alta Resolución

Técnica electrocardiográfica

Definición

ECG de Alta Fidelidad

ECG de Señal Promediada

Micropotenciales cardíacos

Técnica electrocardiográficaorientada a la detección de micropotenciales cardíacos

Características

4

Potenciales de His - Purkinje

Potenciales Tardíos Auriculares

Potenciales Anormales Intra-QRS

Potenciales Tardíos Ventriculares

Características

• Muy baja Amplitud (entre 1 y 25 µV)

• Alta Frecuencia (entre 25 y 250 Hz)

• Enmascarados por el ruido

• No pueden registrarse con ECGconvencional

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3

IndiceIntroducción

• Señales de baja amplitud (pocos µV) y alta frecuencia (hasta 250 Hz)

Potenciales Tardíos Ventriculares (PTV)

• Localizados al final del complejo QRS e inicio del segmento ST

PTV

0.3

Am

pli

tud

(m

V)

0

0.1

0.2PTV

5

0 100 200 300 400

Tiempo (ms)

Asociados con:

- Riesgo de arritmias ventriculares malignas en pacientes post-infarto demiocardio

- Existencia de daño miocárdico severo en pacientes chagásicos crónicos

IndiceIntroducción

Conducción lentificada en zonas

isquémicas que bordean a las zonas os

os

Génesis de los micropotenciales

isquémicas que bordean a las zonas

necróticas

Activación cardíaca fragmentada y

tardía observable en electrogramas

epicárdicos

Ele

ctr

og

ram

as

ep

icá

rdic

oE

lec

tro

gra

ma

s e

pic

árd

ico

6

ECGAR

En ECGAR, se refleja en potenciales de

baja amplitud y alta frecuencia localizados

al final del QRS e inicio del ST

Potenciales Tardíos Ventriculares

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4

Indice- El registro de los PTV requiere una instrumentación adecuada.

- Documentos estándares:

Introducción

European Society of Cardiology, American HeartAssociation and American College of Cardiology

• 1991

American College of Cardiology• 1996

• 1999 Association for the Advancement of Medical Intrumentation

- Sistema típico de adquisición de registros ECGAR

7

IndiceADQUISICIÓN

- Derivaciones ortogonales bipolares XYZ- Electrodos autoadhesivos de Ag - AgCl

Introducción

- Duración: 5 – 20 min.

AMPLIFICACIÓN Y FILTRADO

Especificación Valores

Ganancia 1000 - 10000

Ancho de banda (mínimo) 0.05 – 250 Hz

Relación de rechazo de modo común > 120 dB

8

Relación de recha o de modo común 1 0 d

Separación de interferencia intercanal > 100 dB

Protección contra desfibrilación No

Rango de linealidad > 2.5 mV

CONVERSIÓN ANALÓGICA - DIGITAL

- Frec. muestreo 1 KHz- Resolución conv. A/D 12 bits

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5

Indice

Características ECG Convencional ECG Alta Resolución

Análisis comparativo ECG convencional vs ECG Alta Resolución

Introducción

Tipo de Registro Papel oDIgital

Digital

Ancho de Banda 0.05 – 100 Hz 0.05 – 250 Hz

Frec. de Muestreo 250 Hz (típica) ≥ 1000 Hz

Conversor A/D ≥ 8 bits ≥ 12 bits

Derivaciones12 Derivaciones Estándar(I, II, III, aVR, aVL, aVF,

3 Derivaciones Ortogonales

9

Derivaciones (I, II, III, aVR, aVL, aVF,V1, V2, V3, V4, V5, V6)

Ortogonales(X, Y, Z)

Modo de Adquisición Multiplexada Simultánea

Duración registro Pocos seg. por derivación 5 a 20 min

Registro ECGAR Mejor resolución en

tiempo, frec. y amplitud ECG de Alta Fidelidad

IndiceRegistro continuo ECGAR

Introducción

Am

plitu

d (m

V)

10

• El principal problema de la ECGAR es que los PTV se encuentran enmascarados por el ruido.

• Para mejorar la RSR de los PTV se usa la técnica de Filtrado por Promediación.

Tiempo (seg)

ECG de Señal Promediada

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6

Indice

0

0.4

ud

(m

V)

Detección de ciclos cardiacos

Introducción

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-0.8

-0.4

Tiempo (seg)

Am

pli

t

Alineamiento

0.4

0.60.2

Promediado

110 100 200 300 400 500 600

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

Tiempo (ms)

Am

plit

ud

(m

V)

0 100 200 300 400 500 600-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

Tiempo (ms)

Am

plit

ud

(m

V)

Indice

Introducción

Índice




Conclusiones


12

16/08/2013

7

IndiceÍndice

Introducción




13

Conclusiones


Indice• La detección de los ciclos cardíacos se realiza habitualmente con

detectores de complejos QRS


Razones:

- El complejo QRS es el conjunto de ondas con mayor RSR de la señal ECG

- El complejo QRS tienen componentes de mayor frecuencia que las ondas P y T

14

16/08/2013

8

Indice

• En los sistemas ECGAR, el detector de QRS cumple dos funciones:


1) Identificar cada ciclo cardíaco

2) Proveer un punto de referencia inicial para la etapa de alineamiento

• Esquema general de un detector de QRS por software:

15

Indice• El detector de QRS más usado está basado en el propuesto por Pan

y Tompkins


- Alta sensibilidad y valor predictivo positivo- Sencillez de implementación - Robustez al ruido

• Criterios de reconocimiento de complejos QRS:

- Ancho de banda- Pendiente A lit d- Amplitud

- Duración

Detección en tiempo real de complejos QRS en registros Holter (fm = 200 Hz)

• Algoritmo original (1985)

• Deben realizarse modificaciones para su implementación por software16

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9

IndiceRegistro ECGAR

Filtrado

x(n)

Registro ECGAR

Filtrado

x(n) x(n)x(n)

Butterworth, N=2,


Filtradopasabanda

Derivador

Valor cuadrático

y(n)

d(n)

c(n)

Filtradopasabanda

Derivador

Valor cuadrático

y(n)

d(n)

c(n)

y(n)

d(n)

c(n)

y(n)

d(n)

c(n)

, ,fci=7 y fcs=25Hz

Longitud M=24 puntospara fm=1KHz

c(n)=[d(n)]2

1717Marcas QRS

Filtro demedia móvil

Bloque dedecisión

m(n)

q(i)

Marcas QRS

Filtro demedia móvil

Bloque dedecisión

m(n)

q(i)

m(n)

q(i)

m(n)

q(i)

Longitud N=100 ms

Basado en umbrales

17

Indice

V)

Registro con variaciones línea de base

1.5

2ECGARmarca QRS

V)

Registro con variaciones línea de base

1.5

2ECGARmarca QRS

V) 0

0.2

0.4

0.6ECGARmarca QRS

Registro de sujeto normal

V) 0

0.2

0.4

0.6ECGARmarca QRS

V)

V) 0

0.2

0.4

0.6ECGARmarca QRS

Registro de sujeto normal

V) 0.5

1

1.5

2ECGARmarca QRS

Registro de pac. chagásico con IVP

V) 0.5

1

1.5

2ECGARmarca QRS

V)

V) 0.5

1

1.5

2ECGARmarca QRS

Registro de pac. chagásico con IVP


Registro con ruido EMG1

ECGARmarca QRS

Registro con ruido EMGRegistro con ruido EMG1

ECGARmarca QRS

Registro con ruido blanco

2 5

3ECGARmarca QRS

Registro con ruido blanco

2 5

3ECGARmarca QRS

Am

plit

ud (

mV

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.5

0

0.5

1

Am

plit

ud (

mV

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.5

0

0.5

1

1.2

1.4ECGARmarca QRS

Registro con interferencia de línea

1.2

1.4ECGARmarca QRS1.2

1.4ECGARmarca QRS

Registro con interferencia de línea

Am

plit

ud(m

V

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

Am

plit

ud(m

V

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

Am

plit

ud(m

V

Tiempo (s)

Am

plit

ud(m

V

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

Am

plit

ud

(mV

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Am

plit

ud

(mV

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

Am

plit

ud

(mV

Tiempo (s)

Am

plit

ud

(mV

Tiempo (s)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

1818Tiempo (s)

Am

pli

tud

(mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Tiempo (s)

Am

pli

tud

(mV

)

Tiempo (s)

Am

pli

tud

(mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1.5

-1

-0.5

0

0.5

Tiempo (s)

Am

plit

ud

(mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tiempo (s)

Am

plit

ud

(mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Tiempo (s)

Am

plit

ud (

mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tiempo (s)

Am

plit

ud (

mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Tiempo (s)

Am

plit

ud (

mV

)

Tiempo (s)

Am

plit

ud (

mV

)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

16/08/2013

10

Indice

Introducción

Índice




Conclusiones


19

IndiceÍndice

Introducción




20

Conclusiones


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11

IndiceAlineamiento de latidos

• El proceso de promediado requiere que los latidos a promediar se encuentren perfectamente alineados en el tiempo.

• Los errores de alineamiento producen un efecto de filtrado pasabajosen la señal promediada.

21


• Si los errores de alineamiento tienen distribución gaussiana

Por ej:

=1 ms fc= 132.5 Hz

= 0.5 ms fc=265 Hz

=2 ms f = 66 Hz

1/2ln 2 0.1325

2cf = Desv. est. de la secuencia

de errores de alineamiento

22

=2 ms fc= 66 Hz

Fuerte atenuaciónde los PTV

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12


• El método de correlación cruzada temporal es la técnica de alineamiento más usada en registros ECGAR

C d l tid d t t d d l tid t ó• Cada latido detectado es comparado con un latido patrón en una ventana temporal que incluya la parte más rápida del complejo QRS

• Selección del latido patrón

1 - Latido individual de bajo ruido extraído del registro

2 - Versión preliminar del latido promedio

• Alineamiento del latido detectado con el patrón

23

• Alineamiento del latido detectado con el patrón

Función de correlación cruzada normalizada

1

2 2

1 1

[ ] [ ][ ]

[ ] [ ]

N

kxy N N

k k

x k y k ll

x k y k

x[k] = latido plantillay[k] = latido detectado l = retardo temporalN = Longitud de la ventana (200ms)


24Punto fiducial o de sincronismo = posición del máx(ρxy)

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13


El valor de máx(ρxy) se utiliza para descartar

l id ó ilatidos ectópicos o excesivamente ruidosos

Según el documento estándar de ESC, AHA y

ACC, solo deben aceptarse latidos si

25

p

máx(ρxy) > 0.98

Todos los latidos con

máx(ρxy) < 0.98 deben ser eliminados

Indice

Introducción

Índice




Conclusiones


26

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14

IndiceÍndice

Introducción




27

Conclusiones


IndicePromediado de latidos

• Modelo:

Para cada latido i xi (n) = si (n) + ri (n) i=1, . . . , Ni i i

donde: si (n) = componente determinística cardíaca

ri (n) = componente de ruido aditivo

N = número de latidos a promediar

• Hipótesis sobre la señal y el ruido

1 La componente de señal debe ser repetitiva (no necesariamente

28

1- La componente de señal debe ser repetitiva (no necesariamenteperiódica).

2- El ruido debe ser un p.a. estacionario, de valor medio nulo e incorrelado con la señal y consigo mismo (ruido blanco).

3- Debe conocerse exactamente la posición temporal de las señalesa promediar.

16/08/2013

15


29


• Señal promediada con N latidos:

N1

i

i nxN

nx1

)(1

)(

N

ii

N

ii nr

Nns

Nnx

11

)(1

)(1

)(

D d 1 N

30

Dado que s1(n)=....=sN(n)=s(n) )(

1)()(

1

N

ii nr

Nnsnx

La señal promediada x(n) constituye un estimador de la componente

determinista s(n)

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16


a) Valor medio

• Calidad del estimador (media y varianza):

2

( ) rVar x nN

( ) ( )E x n s nEl valor medio del estimador coincide con la señal a detectar

Estimador no sesgado

b) Varianza

Estimador consistente

La varianza del estimador disminuye con el número de

N

31

con el número de realizaciones

N

nr nr i

x NSRR SRR ix

• Nivel de ruido post-promediado y Relación Señal a Ruido


• El proceso de promediado:

- conserva la señal de interés- conserva la señal de interés

- disminuye la potencia de ruido por un factor de N

- disminuye el nivel RMS de ruido post-promediado porun factor igual a √N

- aumenta la relación señal a ruido por un factor igual a √N

32

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17


33

Indice

Introducción

Índice




Conclusiones


34

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18

IndiceÍndice

Introducción




35

Conclusiones


IndiceAnálisis temporal de los PTV

Registro continuo ECGAR

mV

) X

Tiempo (seg)

Am

plitu

d (m

Y

Z

Señales Promediadas XYZ

Detección de QRSAlineamientoPromediado

Algoritmos

36

0 100 200 300 400-4

-2

0

2

4

Am

plitu

d (m

V)

X

Y

Z

Señales Promediadas XYZ

Tiempo (ms)

Promediado

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19


2

4

mV

)

X

Señales Promediadas XYZ FiltroButterworth

Bidireccional

Señales Filtradas XYZ

0 2

0.4 Xf

mV

)

0 100 200 300 400-4

-2

0

Am

plitu

d (m

Y

Z

Tiempo (ms)

Bidireccional4° orden

40-250 Hz

0 100 200 300 400

-0.4

-0.2

0

0.2Yf

Zf

Tiempo (ms)

Am

plitu

d (m

Vector Magnitud Temporal

37

0 100 200 300 400


0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

Am

plitu

d (m

V)

Tiempo (ms)


PTV 222fff ZYXVMT


Los puntos QRS ini y QRS fin son Instantes temporales en los que una

Estimación del punto inicial y final del complejo QRS

umbral = media (ruidoST) + 3 DE (ruidoST)

p _ y _

detectados a partir de VMT comoInstantes temporales en los que una ventana móvil (5 ms) supera un umbral

38

16/08/2013

20


VECTOR MAGNITUD TEMPORAL Parámetros de análisis:

QRSD • Duración del complejo QRS

0

100

200

Am

plitu

d (

V) iniQRSfinQRSQRSD __

RMS40

• Nivel RMS de los últimos 40 ms delcomplejo QRS

finQRS

finQRSi

iVMT40RMS_

40_

2 )(40

140 V

LAS40

39

Tiempo (ms)

0 100 200 300 400

QRS_ini QRS_fin

QRSD > 114 msRMS40 < 20 VLAS40 > 38 ms

Nota: Según el documento estándar de ESC, AHA y ACC

Paciente tiene PTV

QRS_fin – 40ms

• Duración terminal del complejo QRSpor debajo de los 40 V

ViVMTiargmax-QRS_fin40LAS 40


Sujeto Sano (Grupo O)Paciente Chagásico (Grupo III) Sujeto Sano (Grupo O)Paciente Chagásico (Grupo III)

40

Paciente Chagásico Sujeto Sano

QRSD ( = 153 ms) > QRSD ( = 105 ms)

LAS40 ( = 73 ms) > LAS40 ( = 25 ms)

RMS40 ( = 11. 2 V) < RMS40 ( = 39.5 V)

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21

Indice

Introducción

Índice




Conclusiones


41

IndiceÍndice

Introducción




42

Conclusiones


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22

IndiceConclusiones

• El ECG de Alta Resolución es una técnica electrocardiográfica orientada a

la detección de micropotenciales cardíacos, en particular los PTV.

• Para registrar adecuadamente estos potenciales se requiere un sistema

de adquisición con elevada resolución en tiempo, frecuencia y amplitud.

• Debido a los potenciales están enmascarados por el ruido, se utiliza la

técnica de filtrado por promediación.

• La obtención del latido promedio requiere de algoritmos adecuados de

detección de complejos QRS, alineamiento y promediado de latidos.

Cualquier error en estas etapas afectará la detección de los potenciales.

• El análisis temporal de los potenciales se realiza a través del cálculo de

tres parámetros estimados en el vector magnitud de las derivaciones

ortogonales promediadas y filtradas.

Análisis de Micropotenciales Cardíacosen Registros ECG de Alta Resolución

TUMI II 2013 ‐ Congreso Peruano de Ingeniería Biomédica ‐ Lima ‐Mayo de 2013

Dr. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica

Universidad Nacional de San [email protected]

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Filtrado convencional Filtrado bidireccional

Ringing

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