MADEIRO, J. P. V. Detecção e segmentação automática de batimentos cardíacos do eletrocardiograma por modelagem matemática e combinação das transformadas Wavelet e de Hilbert. 2013. 130 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Teleinformática) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2013. / Submitted by Marlene Sousa (mmarlene@ufc.br) on 2013-08-20T14:49:37Z
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Previous issue date: 2013-05-17 / A
utomatic diagnostic aid systems aim the extraction of speci c parameters in order
to support the analysis of a patient's physiological conditions possibly using computing algorithms. In the context of cardiology, such systems are particularly important
when applied over long-term ECG signals, for example the 24-h holter examinations. The
digital signal processing techniques for ECG waves segmentation and automatic feature
extraction, which are proposed in this thesis, cover various research elds. Firstly, the
proposed system performs QRS complex detection and segmentation, which is related to
ventricular depolarization. The used methodology combines the adaptive threshold technique, Hilbert and Wavelet transforms and the rst-derivative lter with a new approach
of preprocessing suppression over the whole ECG signal and selection of Wavelet scale
factor for a given predominant QRS morphology. As output information we obtain the
RR time-series (tachogram), the time-series of QRS complex durations and amplitudes.
In the second stage, the developed system performs T-wave detection and segmentation,
whose waveform is related to ventricular repolarization activity. It is proposed a new
mathematical model concerning the possible T-wave morphologies based on a Gaussian
function, modi ed by a mathematical procedure to insert asymmetry. Once the template
is computed, cross-correlation and an approach based on the computation of Trapezium's
area are used to locate, respectively, the peak, or the peaks for biphasic waves, and end
point of each T-wave throughout the whole raw ECG signal. Among the metrics derived from the detected ducial points, we emphasize the QT intervals, which are the
time intervals between the QRS onset and the T-wave end. After the segmentation of
the ECG waves, we perform two important case studies using the ducial points and
segments detected in the previous stages: ventricular activity subtraction in intracardiac atrial brillation electrogram and heart hate variability (HRV) analysis for a set of elderly patients which were selected in the Geriatric Outpatient Clinic of the Walter Cantidio University Hospital. After evaluating the overall methodology of QRS detection and
segmentation over various manually annotated databases, inclusive the public MIT-BIH
Arrhythmia database and QT database, we have obtained the following detection rates
and delineation time errors: sensitivity of 99.51%, positive predictivity of 99.44%, QRS
onset time error of 2.85 9.90 ms and QRS o set time error of 2.83 12.26 ms. Regarding T-wave detection and delineation, the proposed method has attained sensitivity
of 99.48%, positive predictivity of 99.53%, and average time errors of 0.51 8.06 ms,
for T-wave peak location, and 0.11 11.73 ms, for T-wave end location. Regarding the
rst case study concerning the use of the ducial points detected from the segmented
QRS complexes and T-waves over intracardiac atrial brillation electrogram, the method
of ventricular activity subtraction has attained a signi cant attenuation for frequencies
above 10 Hz, and also for components of frequency range around 3 Hz to 6 Hz, respectively
due to ventricular depolarization and repolarization subtraction. For the second application, the analysis of the evolution of heart rate variability metrics in frequency domain
associated to sympathetic branch activity allows recognizing speci c tendencies regarding
aspects of proper functioning/dysautonomia of the autonomic nervous system for each
predetermined elderly class according to the concepts of frailty phenotype: frail, pre-frail
and robust ones. The overall results suggest that the set of methodologies developed for
ECG waves segmentation provides high rates of accurate and robust detections for a wide
variety of morphologies, such that they can be applied in various situations for aid to
diagnosis. Given the set of possible metrics and time-series which can be extracted from
the ECG signals, after their segmentation, the referred methods can support projects of clinical research and development of markers/indicators of adverse cardiovascular events. / Sistemas automáticos de auxílio ao diagnóstico visam à extração de métricas específicas, podendo ser por algoritmos computacionais, de forma a subsidiar a análise por parte do especialista de condições orgânicas e fisiológicas do paciente. No contexto da cardiologia, referidos sistemas são particularmente importantes quando aplicados no processamento de sinais de longa duração, como o eletrocardiograma (ECG) de 24 horas. As técnicas para segmentação e extração automática de parâmetros do sinal ECG propostas nesta tese abrangem diversos campos de pesquisa. Inicialmente, o sistema realiza a detecção e a segmentação do complexo QRS, relacionado à despolarização ventricular. Como metodologia, utiliza-se a combinação das técnicas do limiar adaptativo, das transformadas de Hilbert e Wavelet e do filtro derivativo com uma nova abordagem de redução de pré-processamento e de seleção do fator de escala da Wavelet. Ao final desta etapa, obtêm-se a série de intervalos RR, a série de durações de cada complexo QRS e de suas amplitudes. No segundo momento, tem-se a detecção e a segmentação da onda T, relacionada à repolarização ventricular. Propõe-se um novo modelo matemático do comportamento morfológico da onda T baseado na função Gaussiana, modificada por um procedimento matemático de inserção de assimetria. Uma vez obtidos os parâmetros de modelagem para uma dada morfologia predominante de onda T, a função de correlação cruzada é utilizada para a detecção do pico e uma técnica baseada no cálculo da área de trapézios é utilizada para a localização do final da forma de onda. Dentre as métricas derivadas das informações extraídas, destaca-se a série de intervalos QT, segmento que vai do início de cada complexo QRS ao final de cada onda T. Finalizado o processo de segmentação, dois estudos de caso são realizados: subtração da atividade ventricular em sinais eletrogramas atriais de pacientes com fibrilação atrial (FA) e análise de séries de variabilidade da frequência cardíaca (VFC) de um conjunto de pacientes idosos selecionados pelo Ambulatório de Geriatria do Hospital Universitário Wálter Cantídio. A partir de experimentos de validação em bases de dados diversas com anotações manuais dos batimentos, obtêm-se as seguintes taxas de detecção e erros de delineamento para o complexo QRS: sensibilidade de 99,51%, preditividade positiva de 99,44%, erro médio de início (QRS onset) de 2,85 ± 9,90 ms e erro médio de final (QRS offset) de 2,83 ± 12,26 ms. Com relação à detecção e segmentação da onda T, obtêm-se os seguintes resultados: sensibilidade de 99,48%, preditividade positiva de 99,53%, erro médio de localização de pico de 0,51 ± 8,06 ms e erro médio de localização de final da forma de onda de 0,11 ± 11,73 ms. Quanto ao primeiro estudo de caso de uso dos pontos fiduciais detectados, a potência média dos sinais eletrogramas atriais, após a subtração da atividade ventricular, é significativamente reduzida para frequências acima de 10 Hz, predominantemente associadas ao complexo QRS, bem como para frequências na faixa de 3 a 5 Hz, relacionadas à atividade elétrica de repolarização ventricular. Para o segundo estudo, a análise do comportamento de métricas no domínio da frequência associadas à atividade do sistema nervoso simpático permite o reconhecimento de tendências próprias e características, no que tange a aspectos de funcionamento/disautonomia do sistema nervoso autonômico, de cada classe pré-determinada de idosos segundo os conceitos de fenótipo de fragilidade: idosos frágeis, pré-frágeis e robustos. Os resultados obtidos sugerem que o conjunto de metodologias desenvolvidas para a segmentação do sinal ECG apresenta altas taxas de precisão, repetibilidade e robustez a uma ampla gama de morfologias, podendo ser aplicado em diversos contextos de auxílio ao diagnóstico. Dadas as métricas e séries temporais que podem ser extraídas, os referidos métodos também podem dar suporte a processos de investigação clínica e desenvolvimento de marcadores/indicadores de eventos cardiovasculares adversos.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:www.repositorio.ufc.br:riufc/5655 |
| Date | 17 May 2013 |
| Creators | Madeiro, João Paulo do Vale |
| Contributors | Cortez, Paulo César |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFC, instname:Universidade Federal do Ceará, instacron:UFC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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