An alisis de la repolarizaci on card aca en el ECG, registrado

Analisis de la repolarizacion cardaca en el ECG, registrado durante
angioplastia, mediante la transformada de KL Jose Garca # , Paul Lander & , Galen Wagner y y Pablo Laguna #
# Centro Politecnico Superior, Univ. de Zaragoza, Maria de Luna 3, 50015 Zaragoza, Espa~na
& Oklahoma University, V. A. Medical Center
yDuke University Medical Center
Resumen - En este estudio se han analizado registros
ECG de pacientes sometidos a Angioplastia Percutanea
Transluminal Coronaria (PTCA) en alguna de las arterias principales. Durante la angioplastia se produce la
oclusion de estas vas y por tanto una falta de ujo sanguneo en determinadas regiones cardacas que genera
una isquemia. En este estudio se ha evidenciado la capacidad de la transformada de Karhunen-Loeve (KLT)
aplicada al complejo ST-T para detectar y caracterizar
la isquemia inducida por la angioplastia.
de isquemia inducida. En la gura 1 se muestran los seis primeros complejos base que representan el complejo ST-T, generados
previamente utilizando un amplio y representativo conjunto de
se~nales (en torno a 100.000 latidos) 2]. La capacidad de representacion de la KLT en los complejos ST-T viene dada por el hecho
de que el 70%, 90% de la energa de la se~nal puede representarse
con las 2, 4 primeras funciones base, respectivamente. Por tanto,
la monitorizacion de estos parametros equivale en la practica a
monitorizar el complejo ST-T. Para conocer el comportamiento
dinamico de la se~nal, es decir, las variaciones que se producen en
el complejo ST-T durante el proceso, se estudian las series en el
tiempo de los coecientes de la transformada: series de kl. Para
reducir el efecto del ruido (50/60 Hz, muscular, variaciones de
lnea de base, artefactos de movimiento), las series de kl se obtienen a partir de una estimacion adaptativa, despues de eliminar
las variaciones de lnea de base con splines cubicos. Dado que la
isquemia es un proceso lento comparado con el ritmo cardaco, los
algoritmos adaptativos convergen sucientemente rapido para seguir las variaciones que la isquemia produce en el complejo ST-T
sin introducir errores apreciables 2].
I. INTRODUCCION
La Angioplastia Percutanea Transluminal Coronaria (PTCA)
1] es una tecnica usada en el tratamiento de arterias coronarias
afectadas por estenosis. Para efectuar una angioplastia se introduce un cateter de modo transcutaneo en la va que se halla
parcialmente obstruida y presenta defectos de conduccion, y se
ina un balon en el extremo del cateter a la altura de la estenosis de forma que se produzca una apertura del vaso sanguneo
para restaurar la correcta circulacion. No obstante, al producirse
la oclusion de la va debido a la presencia del balon hinchado,
los tejidos cardacos quedan temporalmente privados de ujo sanguneo, de forma analoga a como sucede en un infarto de miocardio, generandose una isquemia temporal. En el ECG se muestra
la isquemia en cambios de la morfologa del complejo ST-T. La
monitorizacion de forma eciente de estos cambios permite hacer
un seguimiento de la isquemia en la medida que esta se reeje en
el ECG. En un estudio previo 2] se vio la utilidad de la transformada de Karhunen-Loeve (KLT) para monitorizar la isquemia
en registros de Holter. En este estudio se va a usar dicha tecnica para analizar su utilidad, en un laboratorio de cateterizacion,
como marcador de la isquemia inducida por la angioplastia y de
otros fenomenos que puedan identicarse. Los registros corresponden al proyecto \STAFF" coordinado por la Universidad de
Duke que pretende estudiar la informacion presente en el ECG
durante PTCA.
KL 0
KL 1
KL 2
KL 3
KL 4
KL 5
Primeras seis funciones base del complejo ST-T.
Cada valor de la serie kl (n), con n representando a cada latido
e i al orden de la base, informa de la contribucion de la funcion base KL para representar el n-esimo complejo ST-T. Si se
observan las funciones base puede verse que el valor de la serie
kl0 esta relacionado directamente con el segmento ST dado que
valores positivos de KL0 corresponden a un segmento ST positivo, y que un incremento de kl0(n) representara una elevacion
del segmento ST. De forma similar puede razonarse, y dado que
la funcion base KL1 presenta un area negativa en el intervalo de
tiempo que corresponde al segmento ST (50-150 ms iniciales del
complejo ST-T representado), que un incremento de kl1 (n) describe una depresion en el segmento ST.
III. ANA LISIS DEL ECG DURANTE ANGIOPLASTIA
En el presente estudio se registro el ECG en pacientes que fueron
sometidos a angioplastia. Cada registro consta de las derivaciones
ortogonales X Y Z, cada una muestreada a 1000 Hz con 16 bits de
resolucion. Para cada paciente se dispone de varios registros que
comprenden las etapas previa al inado, de inado, y posterior a
este, de modo que pueden estudiarse las variaciones en la forma
de la se~nal a lo largo de todo el proceso. En este estudio se
han calculado y representado las series de kl para las derivaciones
ortogonales X Y Z segun 2].
Figura 1:
i
i
II. LA TRANSFORMADA DE KARHUNEN-LOE VE
La KLT 3] es una transformacion lineal dependiente de la se~nal,
optima en el sentido de que concentra la maxima informacion de
la se~nal en el menor numero de parametros, y ademas dene la
mayor separacion entre los espacios de se~nal y ruido. Por lo tanto,
con igual numero de coecientes la KLT es la transformada que
da una representacion mas eciente de la se~nal. En este trabajo
se representa el complejo ST-T en la base de funciones de KL
y se estudia la capacidad de la KLT para describir el fenomeno
Este trabajo ha sido nanciado por el proyecto TIC94-0608-02:02
CICYT, y PIT06/93 CONAI.
1
4
6
minutes
8
0
5000
kl 1(n)
0
2
minutes
4
6
minutes
4
6
0
8
2
4
6
minutes
8
0
4
6
minutes
8
2
4
6
minutes
kl 0(n)
0
2
4
6
minutes
8
kl 1(n)
20000
10000
0
-10000
0
2
(a) Gray
4
6
minutes
8
20000
10000
0
-10000
-20000
-30000
10
10
6
minutes
bpm
Lead X
0
6
minutes
8
2
4
6
minutes
2
4
6
minutes
8
2
4
6
minutes
-40000
0
2
(b) Tapley
4
6
minutes
8
10000
5000
0
-5000
-10000
-15000
6
minutes
8
10
0
0
4
6
minutes
8
10
4
6
minutes
8
10
4
6
minutes
8
10
4
6
minutes
8
10
(b) Heidt
minutes
8
10
2
kl 0(n)
50000
25000
10
0
2
kl 1(n)
60000
40000
20000
0
2
4
6
minutes
8
10
kl 0(n)
0
10
4
2
kl 1(n)
0
8
kl 1(n)
-20000
10
10
10000
10
0
0
kl 1(n)
8
-10000
8
kl 0(n)
0
30000
20000
10000
0
-10000
-20000
-30000
minutes
kl 0(n)
0
75000
-50000
10
kl 0(n)
0
0
-20000
10
-60000
4
6
-40000
8
20000
2
4
2
20000
20000
0
2
4
6
minutes
2
(a) Bender
4
6
minutes
0
2
kl 0(n)
75000
50000
25000
0
8
10
kl 1(n)
0
8
0
10
50000
40000
30000
20000
10000
0
2
kl 1(n)
0
2
4
6
Figura 3: HR y Series de KL
gran amplitud que aparece y desaparece en dos ocasiones. En la
gura 4 se muestran diferentes latidos correspondientes a la derivacion Y del registro \Bender" que ponen de maniesto estos
cambios en la morfologa del ECG. En 3(a) el comportamiento
esta correlado con las variaciones del HR: cuando el complejo STT se hace altamente negativo, el HR decrece proporcionalmente.
El analisis de estos dos registros sugiere un marcado fenomeno
transitorio posterior al inado del balon.
HR y Series de KL
En la gura 2 se representan el ritmo cardaco (HR) y las series de kl correspondientes a la etapa de inado de dos registros
(a,b) del estudio STAFF: \Gray" y \Tapley". En 2(a) se tienen
las series de un paciente sometido a una angioplastia en la arteria
coronaria derecha (RCA). La oclusion comienza con el inicio del
registro, y se mantiene hasta el minuto cinco del mismo. Durante este intervalo de tiempo se produce una depresion de kl0 (n)
y elevacion de kl1 (n) en la derivacion X, que corresponde a una
depresion del segmento ST. En la derivacion Y se aprecia un claro
aumento de kl0 (n) y disminucion de kl1 (n), que corresponde a una
elevacion del segmento ST, recuperandose despues de la oclusion.
En el registro ECG se observa la onda T de gran amplitud durante la etapa de inado. En la derivacion Z se tiene un descenso
de kl0 (n) y elevacion de kl1 (n) durante los dos primeros minutos
del inado (depresion del segmento ST), y un comportamiento
opuesto en el resto de la angioplastia. La localizacion espacial de
cada una de las derivaciones es la que determina que los cambios
en el segmento ST reejen elevaciones o depresiones, dependiendo
de la arteria obstruida. En este mismo registro se puede observar
un interesante caracter periodico de las variaciones de las series
durante la angioplastia. En las derivaciones X y Z, principalmente, se aprecian oscilaciones cada 20 s aproximadamente. Similar
comportamiento periodico del fenomeno de isquemia en algunos
pacientes aparece descrito tambien en 2]. En la gura 2(b) se
muestran los resultados para una angioplastia llevada a cabo en
la arteria circuneja. El tiempo de inado del balon comprende
los tres primeros minutos del registro. Durante este intervalo se
observa un aumento de kl0(n) y disminucion de kl1 (n) en la derivacion X, que corresponde a una elevacion del segmento ST, y
un comportamiento opuesto, es decir, una depresion del segmento
ST en las derivaciones Y, Z. En ambos registros puede observarse
que tras el proceso de inado se produce una variacion importante
del ritmo cardaco. Esto constata una relacion estrecha existente
entre el fenomeno de isquemia y el ritmo cardaco.
En la gura 3 tenemos las mismas gracas que en la gura 2 registradas en dos angioplastias llevadas a cabo en la arteria RCA,
y en la arteria circuneja. En la gura 3(a) el inado se llevo a
cabo durante los primeros tres minutos y medio, mientras que
en la gura 3(b) el inado se produjo durante cinco minutos comenzando en 50 s. Un fenomeno interesante se observa en ambos
registros aproximadamente un minuto despues del proceso de inado (minuto cuatro y medio en la derivacion Y en 3(a) y minuto
siete en las derivaciones X, Z en 3(b)). Se produce un decaimiento muy fuerte de kl0 (n) y kl1 (n), una recuperacion y una nueva
caida tras esta se vuelve a los valores iniciales de las series. Estas variaciones indican la presencia de una onda T negativa de
Figura 2:
10
50000
10
kl 1(n)
0
50000
40000
30000
20000
10000
0
-10000
4
-100000
8
-10000
10
2
HR series
50
8
kl 1(n)
0
Lead Z
2
minutes
100000
-15000
0
6
25000
20000
15000
10000
5000
0
10
10000
-5000
4
kl 0(n)
0
20000
0
2
30000
22500
15000
7500
0
-7500
10
kl 0(n)
30000
10
kl 1(n)
minutes
-15000
0
8
0
kl 1(n)
0
10
Lead Y
2
2
-22500
8
Lead Y
Lead Y
Lead Z
0
22500
15000
7500
0
-7500
-15000
-22500
6
kl 0(n)
75000
50000
25000
0
-25000
10000
0
-10000
-20000
-30000
-40000
4
10
60
55
68
66
8
-7500
Lead Z
Lead Y
0
Lead Z
Lead X
7500
10000
Lead Z
Lead X
15000
minutes
kl 0(n)
30000
20000
10000
0
-10000
10
6
Lead Y
2
4
Lead Y
0
2
HR series
Lead Z
kl 0(n)
0
Lead X
10
Inflation
65
72
70
Lead X
75
50
8
Lead X
minutes
Lead Y
6
Lead Y
4
125
100
Lead Z
Lead X
10000
5000
0
-5000
-10000
-15000
2
Inflation
76
74
HR series
bpm
bpm
HR series
0
Lead X
bpm
75
70
Inflation
175
150
85
80
Lead Z
Inflation
95
90
(a) 1:15
(b) 5:00
(c) 5:20
(d) 5:33
Variacion de la morfologa del ECG.
IV. CONCLUSIONES
En este estudio se ha analizado la posibilidad de usar la transformada de KL para monitorizar las variaciones de forma del complejo ST-T y por tanto la isquemia inducida durante PTCA y
que se maniesta en el ECG de supercie. La aplicacion de esta
tecnica a registros del estudio \STAFF" muestra que la evolucion del complejo ST-T queda perfectamente evidenciada en la
evolucion de los coecientes kl (con una clara interpretacion de
kl0 (n) y kl1 (n) en terminos de depresion/elevacion del segmento
ST). Ademas se han puesto de maniesto unos comportamientos
oscilatorios en un paciente que pueden apuntar fenomenos cardiovasculares de tipo alternante como ha sido recientemente indicado
en4]. La aplicacion de este metodo en un numero elevado de pacientes permitira establecer la aplicabilidad clnica de la tecnica.
Figura 4:
Referencias
1] J. G. Webster, Enciclopedia of Medical Devices and Instrumentation, John Wiley & Sons, New York, 1978.
2] P. Laguna, G. B. Moody, and R. G. Mark, \Analysis of the cardiac repolarization period using the KL transform: Aplications on
the ST-T database.", in Computers in Cardiology. IEEE Computer
Society Press, 1994, pp. 233{236.
3] C. W. Therrien, Discrete random signals and statistical signal processing, Prentice-Hall, 1992.
4] D. S. Rosenbaum, M. D. Lange, et al., \Electrical alternans and
vulnerability to ventricular arrhythmias", The New England Journal
of Medicine, vol. 330, no. 4, pp. 235{241, January 1994.
2