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16/08/2013
1
ECG de Alta Resolución
BIOINSTRUMENTACIÓN II
Dr. Eric Laciar LeberGabinete de Tecnología Médica
Universidad Nacional de San Juanlaciar@gateme.unsj.edu.ar
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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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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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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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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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
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
12
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7
IndiceÍndice
Introducción
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
13
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
Indice• La detección de los ciclos cardíacos se realiza habitualmente con
detectores de complejos QRS
Detección de ciclos cardíacos
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
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8
Indice
• En los sistemas ECGAR, el detector de QRS cumple dos funciones:
Detección de ciclos cardíacos
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
Detección de ciclos cardíacos
- 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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IndiceRegistro ECGAR
Filtrado
x(n)
Registro ECGAR
Filtrado
x(n) x(n)x(n)
Butterworth, N=2,
Detección de ciclos cardíacos
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
Detección de ciclos cardíacos
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
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10
Indice
Introducción
Índice
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
19
IndiceÍndice
Introducción
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
20
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
16/08/2013
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
IndiceAlineamiento de latidos
• 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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IndiceAlineamiento de latidos
• 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)
IndiceAlineamiento de latidos
24Punto fiducial o de sincronismo = posición del máx(ρxy)
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13
IndiceAlineamiento de latidos
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
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
26
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14
IndiceÍndice
Introducción
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
27
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
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.
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IndicePromediado de latidos
29
IndicePromediado de latidos
• 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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IndicePromediado de latidos
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
IndicePromediado de latidos
• 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
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IndicePromediado de latidos
33
Indice
Introducción
Índice
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
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IndiceÍndice
Introducción
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
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Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
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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IndiceAnálisis temporal de los PTV
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
Vector Magnitud Temporal
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
Am
plitu
d (m
V)
Tiempo (ms)
Vector Magnitud Temporal
PTV 222fff ZYXVMT
IndiceAnálisis temporal de los PTV
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
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20
IndiceAnálisis temporal de los PTV
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
IndiceAnálisis temporal de los PTV
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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Indice
Introducción
Índice
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
41
IndiceÍndice
Introducción
Detección de ciclos cardíacos
Alineamiento de latidos
Promediado de latidos
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Conclusiones
Análisis temporal de los PTV
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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 Juanlaciar@gateme.unsj.edu.ar