Detecção Automática do Complexo QRS e Reconhecimento de Contração Ventricular

Prematura (CVP) em ECG

Autores: João Paulo do Vale Madeiro Paulo César Cortez Francisco Ivan de Oliveira Robson da Silva Siqueira

UFC - UFC - Universidade Federal do CearáUniversidade Federal do Ceará DETI - DETI - Departamento de Engenharia de TeleinformáticaDepartamento de Engenharia de Teleinformática

As Arritmias Cardíacas

– Constituem um dos tipos mais perturbadores de disfunção cardíaca;

– Resultam do ritmo cardíaco anormal;

– Ritmicidade anormal do marca-passo;

– Deslocamento do marca-passo do nodo sinusal para outras áreas do coração;

– Vias anormais para transmissão do impulso elétrico.

Contração Ventricular Prematura

• Foco situado em região ventricular dispara impulso precocemente assumindo função de marca-passo;

• Próximo impulso que se segue, originado no nodo sinusal, ocorre após pausa compensadora.

Contração Ventricular Prematura

• No ECG, as características da CVP são:

– Complexo QRS prolongado e com alta amplitude;

– Onda T, com potencial elétrico de polaridade oposta à do complexo QRS;

– Pausa compensadora entre a contração prematura e a contração seguinte.

O Sinal Eletrocardiograma

1a Fase: Diástole;2a Fase: Sístole Auricular;3a Fase: Sístole Ventricular.

Algoritmo Proposto

• Combinação das técnicas do limiar adaptativo e da transformada Wavelet;

• Não há pré-processamento;

• Detector R-R (localização dos picos R e determinação do Ritmo Cardíaco) e detector Q-S (localização dos picos Q e S e determinação da energia do QRS).

ECG(n)Detector R-R

Detector Q-S

Transformada Wavelet

• Decomposição de um sinal como um conjunto de funções base, através de parâmetros de dilatação e translação

• Wavelet-Mãe: “Chapéu de Mexicano”:

dta

bttx

abxWa

)(1

)(

2

2 21

( ) (1 )2

t

t t e

Translaçãob

Escalaa

(1)

(2)

O Detector - RR

ECG(n) Varredura e comparação

Testa pico

Filtragem de Intervalo

Armazena pico R

Validação de Pico

Atualização do parâmetro

limiar

Th(k)

A técnica do limiar adaptativo

• Re[k] – Amplitude estimada do batimento k ;

• R[k-1] – Amplitude real do batimento k-1;

• X, Y - Baseados em discrepâncias R[k-2] R[k-1];

• Th[k] - Parâmetro limiar para detecção do batimento k;• a - Fator de Amplitude;

*Re[ ] * [ 1][ ] *

X k Y R kth k

X Y

(3)

(4).]1[

]Re[

kth

k

Validação de Pico e Falha de Limiar

,)(

)(][

RR

RRmkI

•I[k] – Último intervalo;

•Detecção Falso-Positivo –

•Detecção Falso-Negativo -

•Indicação de Detecção Correta -

1

2

21

Detecção Falso-Positiva

• Um intervalo em torno do pico em teste é selecionado e a transformada Wavelet é aplicada de modo a validar o pico em análise.

Detecção Falso-Negativa

• O algoritmo aplica a transformada de Wavelet sobre o intervalo onde nenhum pico foi detectado. Um limiar temporário é calculado.

  R[k-1] > 1.25*R[k-2] R[k-1] < 1.25*R[k-2]

I[k] > 2*I[k-1] =0.50th[k]= *R[k-2]

=0.30th[k]= *R[k-1]

I[k] < 2*I[k-1] =0.70th[k]= *R[k-2]

=0.50th[k]= *R[k-1]

Detecção Falso-Negativa

• Ilustração do processo de correção da detecção falso-negativa.

O Detector QS

• Estágio de estimação: Teste de um range de resoluções ou escalas da transformada Wavelet (detecção de pontos críticos).

a = 6 a = 7 a = 9

O Detector QS

• W[n] – Wavelet-filha correspondente a uma dada escala;• QRSk[n] – Intervalo QRS segmentado, pela detecção dos pontos críticos;• Cada resolução terá um parâmetro característico e como indicador de

eficiência; • A resolução que obtiver um menor valor médio de e, ao longo do treinamento,

é selecionada para uso;• Este valor mínimo é armazenado como referência.

2

2

])[(

])[][(

nW

nQRSnWe k

O Detector QS

• Ao longo do processamento, o parâmetro e continua sendo monitorado;

• Se para uma dada detecção, o valor de e exceder o erro mínimo de referência, obtido no treinamento, procede-se a mudança de escala.

• Abaixo, ilustração do processo de segmentação do QRS

Reconhecimento da Contração Ventricular Prematura

São testadas 3 condições para o reconhecimento. • Pausa Compensatória:

– I[k] > (1+X)I[k-1];

• Energia do QRS central:– EQRS

C > EQRSD e EQRS

C > EQRSE;

• Relação de sinal entre Pico T e complexo QRS:– ECG[T(i)]*ECG[R(i)] < 0.

A verificação das 3 condições acima implica no reconhecimento do batimento central como uma CVP.

Análise dos Resultados

• Experimentos de testes com a base de dados Arrhythmia Database do MIT-BIH;

• Detecção do Complexo QRS:– Se(%) = 99.06%, +P(%) = 99.7%, DER = 1.27%

Se - Sensitividade

+P - Preditividade Positiva

DER - Taxa de Erro de Detecção

TP – Detecções corretas;

FN – Falso Negativos;

FP – Falso Positivos;

NQRS – Total de complexos QRS em um exame.QRSN

FNFPDER

FPTP

TPP

FNTP

TPSe

%,(%)

%,(%)

Análise dos Resultados

• Reconhecimento de CVP’s (taxa de detecção de 63.7%):

Exame Total CVP CVP’s detectadas

100 1 1

102 4 3

104 2 0

106 520 222

116 109 38

118 96 43

119 444 442

Conclusão

• Eficiência na detecção de complexos QRS, inclusive em exames com forte contaminação de ruído, como 105, e com expressiva variação da morfologia do complexo QRS, como o 106.

• Taxa de detecção de CVP’s de 63.7%. Levando em consideração que o método não utiliza pré-procesamento, mas apenas as informações obtidas pelo detector do QRS, que são os intervalos R-R e os limites de cada complexo QRS, consideram-se que estes resultados são satisfatórios.

• Mais simulações serão realizadas e novos resultados serão documentados para o método proposto.

Grupo de Trabalho

• Prof. Dr. Paulo César Cortez (DETI – UFC)E-mail: cortez@deti.ufc.br

• João Paulo do Vale Madeiro – PET – ElétricaE-mail: joaopaulo@deti.ufc.br

• Francisco Ivan Oliveira – mestrando UFCE-mail: ivan@deti.ufc.br

• Robson Siqueira – mestrando UFC / Instituto AtlânticoE-mail: siqueira@atlantico.com.br