Diseño e implementación de un sistema integral de extracción de parámetros para cuantificar la variabilidad del ritmo cardiaco. Aplicación experimental: impacto del tabaquismo en las arritmias cardiacas en ratones.

Abstract

[ES] En el presente trabajo se ha diseñado un sistema integral de análisis de señal electrocardiográfica, así como de extracción de los puntos más característicos del electrocardiograma y de parámetros relativos al patrón de activación del corazón y de la variabilidad del ritmo cardiaco, que puedan aportar una información diagnóstica cuantificable relacionada con la actividad arrítmica del corazón. Para este análisis se realiza, en primer lugar, un preprocesado de las señales adquiridas para eliminar componentes ruidosas de las mismas; en segundo lugar, un procesamiento de las señales cardiacas empleando tanto procesamientos clásicos de señal como es el algoritmo Pan-Tompkins, como métodos más modernos tales como las transformadas wavelet, y se optimizan estos algoritmos mediante métodos estadísticos para obtener un sistema robusto frente a las distintas características de la señal, artefactos y latidos ectópicos, además de ser flexible a los requerimientos del usuario; y en tercer lugar la extracción de parámetros numéricos que caracterizan la variabilidad del ritmo cardiaco. Este procesamiento de las señales y extracción de parámetros se valida para un amplio rango de señales cardiacas con el fin de obtener un sistema aplicable a sujetos con un ritmo cardiaco desde los 60 hasta los 600 latidos por minuto. Además, se evalúa el sistema en señales electrocardiográficas extraídas de un experimento del impacto del tabaquismo en las patologías cardiacas en ratones, que implica una dificultad adicional al presentar un ritmo cardiaco mucho más rápido que el de los humanos. Finalmente se integra el sistema diseñado en una interfaz usuario-máquina que permite realizar análisis complejos de forma sencilla y replicable.

[VL] En el present treball s'ha dissenyat un sistema integral d'anàlisi de senyal electrocardiogràfica, així com d'extracció dels punts més característics de l'electrocardiograma i de paràmetres relatius al patró d'activació del cor i de la variabilitat del ritme cardíac, que puguen aportar una informació diagnòstica quantificable relacionada amb l'activitat arrítmica del cor. Per a aquesta anàlisi es realitza, en primer lloc, un preprocessament dels senyals adquirits per a eliminar components sorolloses d'aquestes; en segon lloc, un processament dels senyals cardíacs emprant tant processaments clàssics de senyal com és l'algorisme Pan-Tompkins, com a mètodes més moderns com ara les transformades wavelet, i s'optimitzen aquests algorismes mitjançant mètodes estadístics per a obtindre un sistema robust enfront de les diferents característiques del senyal, artefactes i batecs ectòpics, a més de ser flexible als requeriments de l'usuari; i en tercer lloc l'extracció de paràmetres numèrics que caracteritzen la variabilitat del ritme cardíac. Aquest processament dels senyals i extracció de paràmetres es valguda per a un ampli rang de senyals cardíacs amb la finalitat d'obtindre un sistema aplicable a subjectes amb un ritme cardíac des dels 60 fins als 600 batecs per minut. A més, s'avalua el sistema en senyals electrocardiogràficas extretes d'un experiment de l'impacte del tabaquisme en les patologies cardíaques en ratolins, que implica una dificultat addicional en presentar un ritme cardíac molt més ràpid que el dels humans. Finalment s'integra el sistema dissenyat en una interfície usuari-màquina que permet realitzar anàlisis complexes de manera senzilla i replicable.

[EN] In the present work, an integral system of electrocardiographic signal analysis has been designed, as well as extraction of the most characteristic points of the electrocardiogram and of parameters specific to the activation pattern of the heart and the heart rate variability, which can provide quantifiable information of diagnosis related to arrhythmic activity of the heart. For this analysis, firstly, a preprocessing of the acquired signals is performed to eliminate noisy components from them; secondly, is performed a process of cardiac signals using both classical signal processing such as the Pan-Tompkins algorithm, and more modern methods such as wavelet transforms, and these algorithms are optimized using statistical methods to obtain a robust system against the different signal characteristics, artifacts and ectopic beats, in addition to being flexible to user requirements; and thirdly, the extraction of numerical parameters that characterize heart rate variability. This signal processing and parameter extraction is validated for a wide range of cardiac signals in order to obtain a system applicable to subjects with a heart rate from 60 to 600 beats per minute. In addition, the system is evaluated on electrocardiographic signals extracted from an experiment of the impact of smoking on cardiac pathologies in mice, which implies additional difficulty in presenting a much faster heart rate than that of humans. Finally, the designed system is integrated into a user-machine interface that allows complex analysis to be carried out in a simple and replicable way.