Dispositivo y método para la detección de la alternancia de la repolarización ventricular mediante el enventanado.

Esta invención presenta un dispositivo y un método para la detección de la alternancia de la repolarización ventricular basado en el análisis en tiempo continuo y en la extracción de la información mediante el enventanado. Como característica principal, el método posee gran robustez frente al ruido y es muy robusto frente a la variabilidad de la frecuencia cardiaca debido a la técnica de normalización empleada. Además, incluye un procedimiento que separa la información de la repolarización de los artefactos. Por las características anteriores, es especialmente idóneo para su implementación en dispositivos de monitorización transportables y dispositivos implantables. La decisión acerca de la existencia de alternancia se realiza mediante el análisis de un coeficiente obtenido a partir de las componentes espectrales en los múltiplos de la mitad de la frecuencia cardiacaprocedentes del análisis espectral del electrocardiograma directamente en el dominio del tiempo haciendo uso de un procedimiento de enventanado dinámico

Dispositivo y método para la detección de la alternancia de la repolarización ventricular mediante el enventanado.

Sector de la técnica

El objeto de la patente es la descripción de un método implementable en dispositivos físicos, tanto externos como implantables en el cuerpo humano, para la detección de alternantes en la repolarización cardiaca. Su uso por lo tanto está destinado al entorno clínico estando incluida en el sector de la técnica de la instrumentación biomédica.

Estado de la técnica

La invención consiste en un dispositivo y un método para la detección de patrones de alternancia de la onda de repolarización ventricular sobre señales eléctricas del corazón o electrocardiograma (ECG). El ECG es la grabación eléctrica de la actividad del corazón y se utiliza para establecer el diagnóstico de enfermedades cardiacas. Cada latido del corazón se compone de un conjunto de ondas que tradicionalmente se denotan mediante las letras PQRST. El segmento de la señal comprendido entre la onda S y la onda T, referido como complejo ST-T, corresponde con la repolarización ventricular y está relacionado con diversas patologías.

La alternancia de onda T (AOT) o alternancia de la repolarización ventricular se ha propuesto como un indicador de riesgo para el diagnostico de fallos ventriculares y arritmias ventriculares. Estudios recientes, han concluido que la aparición de AOT es un estratificador del riesgo de padecer muerte súbita cardiaca [Geh05], Se ha concluido también que la AOT puede aparecer en momentos previos a la fibrilación ventricular cardiaca y en posteriores a la oclusión de las arterias coronarias que también pueden desembocar en episodios de fibrilación ventricular y muerte súbita cardiaca. Su detección puede ser válida para predecir dichos episodios y actuar en consecuencia, por ejemplo en una implementación en desfribiladores implantables que pueda complementar y mejorar la detección de casos positivos.

La AOT consiste en pequeñas variaciones en la morfología, amplitud y duración del complejo ST-T que se producen entre latidos consecutivos. En la mayor parte de los casos, los episodios de AOT están caracterizados por amplitudes cercanas a los microvoltios haciendo su inspección y reconocimiento visual prácticamente imposibles.

En la figura 1 se muestra un ejemplo de episodio de alternancia de onda T. Considérese que el complejo ST-T en ausencia de episodios de AOT presenta una morfología que podemos asociar con un patrón referenciado como A. En caso de que exista AOT, se producen variaciones periódicas latido a latido sobre el segmento de repolarización ventricular. En este caso aparece un nuevo patrón sobre el complejo ST-T que se referencia como B. La alternancia consecutiva entre patrones A y B (Fig. 1) se corresponde con un suceso de AOT (ABABABA...). Este fenómeno se refleja en el espectro de la señal en las componentes frecuenciales iguales a la mitad de la frecuencia de latido.

Entre las diversas técnicas de análisis de la alternancia de la onda T propuestas hasta el presente, se pueden citar:

• El método espectral [Ros94], [Smi98]: esta técnica propone analizar las variaciones energéticas del espectro frecuencial de la señal ECG de las series temporales de un grupo de latidos, de manera que se busque un pico de energía para una frecuencia reveladora de la fluctuación buscada.

• La técnica de demodulación compleja [Nea91]: esta técnica intenta modelizar la fluctuación de la amplitud de la onda T por una sinusoide de frecuencia 0,5 ciclos por latido y de amplitud y de fase variables, de manera que se asegure un seguimiento dinámico de las variaciones de alternancia de la onda T.

• La técnica de la media móvil modificada [Ver00]: este método consiste en calcular, cada dos latidos, la media móvil del nivel de la onda T en un punto dado del segmento de repolarización y en cuantificar la diferencia de amplitud entre las dos medias.

• La técnica de estiramiento [Ber97]: en esta técnica se superpone la onda T a una plantilla y la componente temporal es estirada de manera que se minimice la diferencia entre la plantilla y el latido analizado.

• La técnica por autocorrelación [Bur97]: se trata de una técnica que consiste en cuantificar, en el dominio temporal, las variaciones de amplitud y de morfología de la onda de repolarización sobre la base de un índice de correlación. Cada onda T se correlaciona con una onda T media representativa de una serie de latidos, traduciéndose una alternancia, positiva o negativa, en una oscilación del índice de correlación alrededor del valor unitario. La serie interlatidos de coeficientes se analiza utilizando un contador de paso por cero en el dominio del tiempo.

• El enfoque mediante wavelets [Cou99]: la señal ECG se descompone como una suma de gaussianas que posteriormente se procesan, de manera que se aíslan las diferentes componentes de la onda (P, QRS y T) y que aparezcan así singularidades, reveladoras en particular de una alternancia para la onda T.

• Transformada de Karhunen-Loewe [Lag96]: se emplea la KLT truncada para compactar la energía del complejo ST-T en un número reducido de coeficientes para posteriormente analizar las series espectralmente mediante el método de correlación.

• Método de filtrado Capón [Mar00]: es una variante de la demodulación compleja. Se utiliza un filtro FIR que minimiza la potencia de la señal de salida mientras preserva la componente alternante. Se aplica en lugar de un filtro paso bajo invariante.

• Método de proyección Poincaré [Str02]: los mapas de Poincaré se usan para analizar sistemas dinámicos que muestran periodicidad. Se comienza obteniendo las series de Poincaré tomando muestras en la misma fase del complejo ST-T de latidos consecutivos y se representan pares de diferencias entre las muestras de esa serie. La alternancia se identifica cuando dos agrupaciones de puntos separadas están presentes en los mapas.

• Método de la transformada de periodicidad [Sri02a]: la transformada de periodicidad se aplica a las series interlatido de algunas características de la onda T, como por ejemplo la amplitud de pico, área o varianza. Con este método se calcula la energía de la proyección ortogonal de cada serie en el subespacio de secuencias de periodicidad 2 latidos.

• Método de pruebas estadísticas [Sri02b]: se proponen distintas pruebas estadísticas para la detección de AOT.

• Método de la relación de probabilidad Laplaciana [Mar06]: Dado un modelo de señal en el que se incluye ruido y alternancia, el estimador de máxima probabilidad (MLE) y el test de relación de probabilidad generalizado (GLRT) se pueden utilizar para la estimación y detección de alternancia. Se demuestra que la función densidad probabilidad del ruido fisiológico se corresponde con una distribución Laplaciana. El MLE y el GLRT para este modelo se basan en filtros de mediana.

Los métodos descritos en el estado de la técnica para la detección de AOT deben hacer frente a dos efectos principales inherentes a las señales ECG. Estos dos efectos son, el ruido de la señal ECG y la variabilidad de la frecuencia cardiaca.

• El ruido sobre la señal ECG es uno de los principales problemas para la detección de AOT, especialmente cuando la potencia de éste es del mismo orden de magnitud que el de la potencia de la alternancia. En este caso, puede ocurrir que el ruido oculte las pequeñas variaciones asociadas con la AOT. Este hecho es común para todos los métodos de detección propuestos, no habiéndose dado más solución que la inclusión de etapas de pre-procesado para la eliminación de ruido.

• La variabilidad de la frecuencia cardiaca es otro problema principal en la detección de AOT en el sentido de que algunos de los métodos descritos están diseñados con la condición necesaria de que la señal ECG analizada presente condiciones de estacionaridad en la frecuencia cardiaca. Al ser la señal ECG una señal de frecuencia variable los métodos de detección requieren la obtención de dicha condiciones de proximidad a la periodicidad mediante acciones externas al análisis de AOT. Las soluciones adaptadas para conseguir estas condiciones consisten en la administración de fármacos, como son la atropina o la dobutamina, o en la realización de pruebas de esfuerzo monitorizadas por personal médico. Este factor de variabilidad de la frecuencia cardiaca se magnifica cuando el método de detección de AOT necesita un elevado número de latidos para el análisis del ECG ya que se hace complicado...

1. Método para la detección de la alternancia de la repolarización ventricular cardiaca caracterizado por la extracción de la información de la repolarización ventricular mediante el enventanado en tiempo continuo de bloques de latidos de longitud variable de una señal bioeléctrica del corazón, ECG, donde el enventanado se realiza con una ventana definida por una señal periódica de ciclo de trabajo ajustable.

2. Método, según la reivindicación 1, caracterizado porque el proceso de enventanado (140) está definido como el producto de la ventana periódica (30) y el bloque de señal.

3. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el proceso de enventanado de un mismo bloque de ECG se realiza con diferentes versiones de la ventana periódica (30) desplazadas (130) con los siguientes retardos: 0, τ, 2τ, 3τ, ..., mτ, siendo τ y de m valores prefijados o parámetros introducidos por el usuario y no pudiendo superar el valor máximo del retardo de la duración del segmento de repolarización.

4. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una ventana periódica (30) con los siguientes aspectos:

• El periodo de la ventana (25) puede ser un valor fijo elegido o puede ser el periodo medio del bloque de latidos que se enventana.

• El ciclo de trabajo de la ventana periódica es variable y está comprendido entre el 15-45% (20, 25)

• La ventana periódica (30) se sintetiza como la repetición periódica de un pulso (35).

• El ciclo de trabajo de la ventana periódica se calcula a partir del periodo medio de la señal ECG, T_b, (20), y del tiempo de pulso de la ventana, T_w (25), como frac{T_w}{T_b}•100%.

5. Método según la reivindicación 4, donde la forma de onda del pulso (35) puede utilizar cualquier forma de onda parametrizada a modo de ventana para extraer la información, como por ejemplo el uso de ventanas hamming, hamming, triangulares, rectangulares, de kaiser o también se pueden utilizar formas de onda no parametrizadas como es el caso de ventanas adaptadas con la formas de onda similares al complejo ST-T.

6. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por una técnica para reducir el efecto de la variabilidad de la frecuencia cardiaca mediante un procedimiento para la normalización de frecuencia cardiaca mediante la utilización de un periodo truncado (180).

7. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se realizan una serie de acciones de post-procesado de la señal enventanada (95) con el fin de resaltar la información correspondiente a la alternancia en relación con el ruido.

8. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se utiliza un procedimiento que resta latidos consecutivos (145) con el fin de eliminar el ruido ECG de fondo y artefactos de baja frecuencia.

9. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se calcula la tendencia del segmento ST-T (150) para separar la información de la alternancia de la onda T, AOT, de la información no deseada.

10. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se utiliza un procedimiento que mediante el filtrado de la señal elimina artefactos de ruido (155).

11. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se estima la densidad espectral de potencia (160) de la señal enventanada (90) y post-procesada (95).

12. Método, según la reivindicación 11, en el que a partir de la búsqueda y análisis de picos en los armónicos de f_c/2 (165) se obtiene el coeficiente de relación de alternancia de la onda T, RAOT (170), siendo f_c la frecuencia media de la señal ECG.

13. Método, según las reivindicaciones 11 y 12, en el que a partir de la relación entre los armónicos impares de f_c/2 (40, 45, 50, 55) y el ruido en sus proximidades (60, 65, 70, 75) se calcula el coeficiente RAOT.

14. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que determina la existencia o no de alternancia de repolarización ventricular a partir del coeficiente RAOT (175).

15. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que calcula los resultados sobre la existencia de alternancia de repolarizacion a partir de la densidad espectral de potencia de la señal enventanada y post-procesada (165) y el coeficiente RAOT (170).

16. Método según la reivindicación 15, caracterizado porque se calcula y visualiza la estimación de la señal que corresponde con la forma de onda alternante, varepsilon(t), obtenida mediante un filtrado del espectro enventanado a partir de los armónicos impares (40, 45, 50, 55) situados en los múltiplos de la mitad de la frecuencia elegida en la ventana periódica (20).

17. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cuando la duración de los intervalos RR, es decir los intervalos entre ondas R consecutivas, de los latidos de un bloque supere un determinado tanto por ciento del valor medio de la duración de todos los intervalos, se realiza la normalización del periodo del bloque (180) de latidos.

18. Método según la reivindicación 17, en el que el tanto por ciento a partir del cual se realiza la normalización es del 10%.

19. Método, según las reivindicaciones 17 y 18, en el que se elige el periodo de normalización como el máximo de los intervalos RR del bloque de latidos o como un valor fijo que debe ser superior a 0.65 segundos y que puede ser introducido por el usuario del dispositivo (180).

20. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que se utiliza una técnica de descomposición empírica de modos que permite separar las componentes que caracterizan a la AOT de las componentes de ruido (140).

21. Método, según la reivindicación 20, en el que se opera mediante la caracterización de la señal como suma de funciones intrínsecas de modo.

22. Método, según la reivindicación 20, en el que se separa la señal de las componentes ruidosas mediante los descriptores Hjorth y el índice de pureza espectral.

23. Dispositivo para la detección de la alternancia de la repolarización ventricular cardiaca caracterizado por incluir medios para la extracción de la información de la repolarización ventricular mediante el enventanado en tiempo continuo de bloques de latidos de longitud variable de una señal bioeléctrica del corazón, ECG, donde el enventanado se realiza con una ventana definida por una señal periódica de ciclo de trabajo ajustable.

24. Dispositivo para la detección de la alternancia de la repolarización ventricular cardiaca según la reivindicación 23, caracterizado por incluir medios para realizar los pasos del método según cualquiera de las reivindicaciones 2-22.

25. Dispositivo, según la reivindicación 23, caracterizado por operar de manera adaptativa o prefijada en función del escenario de operación en el que se encuentre y de sus requisitos de funcionamiento, siendo lo modos de operación:

• Funcionamiento en modo normal, destinado al análisis de señales o bloques de señal con bajo nivel de ruido y condiciones estables de variabilidad de la frecuencia cardiaca, en el que la ventana periódica se genera a la frecuencia media de latido.

• Funcionamiento en modo ruidoso, destinado al análisis de señales o bloques de señal con alto nivel de ruido, en el que se realiza la normalización de periodo (180) tomando la frecuencia de normalización como el máximo intervalo RR del bloque de señal analizado.

• Funcionamiento en modo de tiempo real.