Estudio espacial del Segmento ST

Vol 5
Agosto-Diciembre / 2004
Núm3
Estudio espacial del Segmento ST
R. González, M. Cañizares
Instituto Central de Investigación Digital
Calle 202 #1704 entre 17 y 19, Playa. Ciudad de la Habana.
E-mail: [email protected]
RESUMEN:
ABSTRACT:
Se presenta el desarrollo y evaluación
preliminar de un nuevo método para el estudio,
en tiempo real, de la desviación del segmento
ST desde un punto de vista espacial a partir del
electrocardiograma estándar. Se asume que las
derivaciones II, V1 y V5 del electrocardiograma
estándar conforman un sistema axial ortogonal
y se calcula la desviación del segmento ST en
cada una; a partir de ellas se calcula la magnitud
del vector ST y se evalúa su tendencia en
tiempo real. Los complejos QRS se detectan a
partir de una Función de Velocidad Espacial
modificada con el fin de mejorar la exactitud en
la identificación del inicio de los complejos; para
ello se calcularon tres funciones para las
derivaciones asociadas de acuerdo a la cara del
corazón que caracterizan. Los complejos QRS
se clasificaron en prematuros y no prematuros a
partir de su ancho y de la duración del intervalo
RR con el fin de evitar la medición del segmento
ST en complejos que no caractericen el ritmo
cardíaco basal. Se estableció una relación
inversamente proporcional entre la duración del
intervalo RR y la distancia del punto J al punto
medio del segmento ST con el fin de evitar
mediciones erróneas en la primera rama de la
onda T. El método propuesto fue evaluado con
señales adquiridas en pruebas ergométricas y
pacientes en estado de reposo; se comprobó
que los resultados obtenidos pueden alertar
acerca de trastornos isquémicos desde una
etapa más temprana que el procedimiento
tradicional, o sea, la observación de la
desviación del segmento ST en cada derivación
sin relacionarlas.
A new method for real-time spatial ST segment
evaluation was developed and tested with three
stress electrocardiograms and five long-term
rest electrocardiograms. The classic Function
of Spatial Velocity was modified in order to
improve the performance of the QRS
complexes onset and offset identification; this
function was computed for three groups of leads
and identification thresholds were set for each
group. QRS complexes were classified as nonpremature and premature according to the
complex width and the RR interval duration. To
avoid wrong ST measurements on the first
branch of the T wave, an inverse relationship
was set between the average RR interval
duration and the distance since the J-point to
the ST segment middle point. Vectors
associated to leads II, V1 and V5 were
considered like the axis of an orthogonal system
and the ST deviation for each lead like the
projections of the ST vector. The vector module
was computed for non-premature complexes
according to the classic expression and its
value showed an earlier sensitivity to ST
pathological changes than the traditional lead
by lead study. The proposed method was tested
with 10758 beats, all of them were detected and
never a premature beat was misclassified. ST
measurements were never made in the first
branch of the T wave.
Key words: electrocardiogram, ST segment,
ischemic disturbances.
Palabras clave: electrocardiograma, segmento
ST, trastornos isquémicos.
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1. INTRODUCCIÓN
Las enfermedades cardíacas constituyen una
de las tres primeras causas de muerte a nivel
mundial y dentro de ellas, las isquemias e
infartos son una de las primeras fuentes de
mortalidad e invalidez [1]. En la actualidad
existen terapias que minimizan los efectos de
los trastornos isquémicos si estos son tratados
tempranamente.
El segmento ST se define como el tramo de
electrocardiograma (ECG) existente entre el
final del complejo QRS y la onda T [2], Figura 1.
Este segmento ha sido estudiado desde los
inicios de la Electrocardiografía; su desviación
respecto a la línea base es considerada como el
mejor indicador no invasivo para evaluar la
presencia de un trastorno isquémico [3]. Este
indicador es monitorizado tanto en pruebas de
evaluación ergométrica con el fin de identificar a
pacientes que padezcan isquemia, como en las
salas de cuidados intensivos, cuidados
intermedios y salones quirúrgicos con el
objetivo de identificar estos trastornos
tempranamente pues es la mejor forma de
tratarlos exitosamente. La peligrosidad y la
rápida evolución de estas situaciones hace
necesario su análisis en tiempo real, lo que
incrementa el nivel de complejidad de la tarea.
El objetivo del presente trabajo es exponer un
método que permite el estudio del segmento ST
en tiempo real desde un punto de vista espacial
con el fin de detectar los trastornos isquémicos
en sus inicios. Para ello, se considerará que las
derivaciones II, V1 y V5 forman un sistema de
ejes ortogonales y por tanto los valores de la
desviación del segmento ST en cada una de
ellas serán las proyecciones del vector ST.
2. METODOLOGÍA
El método propuesto comienza con la
adquisición simultánea de las ocho
derivaciones independientes del ECG estándar
(I, II, V1, V2, V3, V4, V5 y V6) a una frecuencia
de muestreo de 250 Hz. Las derivaciones
dependientes (III, aVR, aVL y aVF) se obtienen
a partir de las siguientes expresiones clásicas:
III = II - I
aVR = (I - III) / 2
aVL = (I + II) / 2
aVF = (II + III) / 2
Se emplea un filtro digital del tipo ¨moving
average¨ [5] para limitar la señal entre 0,6 Hz y
37 Hz con el fin de atenuar efectos indeseables
tales como las fluctuaciones de la línea base y
el ruido provocado por contracciones
musculares involuntarias. La expresión general
del filtro es la siguiente:
y (k ) 
k
1
K
2

m
1
k
 x ( n)  L 
m  k  K 1 n  m  K 1
2
m
 x ( n)
(5)
m  k  L 1 n  m  K 1
donde:
x(n): Señal de entrada
y(k): Señal filtrada en el instante k
K, L: Constantes asociadas a las frecuencias de
corte.
Figura 1. Principales ondas, segmentos e intervalos
del ECG
La correcta medición de la desviación del
segmento ST depende de una acertada
estimación de la línea base y de una correcta
identificación del punto J [4]. Otro elemento a
tener en cuenta es que la medición se haga en
ciclos cardíacos que caractericen el ritmo basal,
por lo que resulta necesario contar con un
proceso de clasificación de los complejos QRS
que excluya de forma eficiente las extrasístoles
ventriculares.
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(1)
(2)
(3)
(4)
Las constantes K y L permiten ajustar las
frecuencias de corte a los valores deseados,
mientras que los términos que componen la
expresión del filtro pueden ser decompuestos
para lograr una implementación en tiempo real
poco exigente en cuanto a potencia de
cómputo.
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Los umbrales se continúan actualizando cada
20 segundos en la siguiente fase.
La segunda fase es la de detección y en ella se
aplican los umbrales fijados anteriormente.
Simultáneamente con la detección de cada
complejo QRS, se mide el intervalo RR como la
diferencia en muestras entre el máximo valor de
la derivación II dentro de los dos últimos
complejos QRS identificados. Un complejo
QRS debe tener una duración superior a los
40 ms y debe estar a una distancia de al menos
200 ms de los complejos anterior y posterior.
La detección del complejo QRS se realiza a
partir de una versión de la función auxiliar
conocida como Función de Velocidad Espacial
(FVE) [6]. Los autores introducen las siguientes
variaciones:
Se introduce el estado de los electrodos con
el fin de cancelar aquellas derivaciones en
las que haya un contacto deficiente de los
electrodos.
La FVE se subdivide en tres funciones con
el fin de estudiar el corazón espacialmente.
Pare ello, se calcula una función a partir de I,
II y III; otra a partir de V1, V2, V3 y una
tercera con las derivaciones V4, V5, V6.
La detección del complejo QRS se hace por
un criterio de mayoría, o sea, tiene que ser
identificado al menos por dos de las
funciones auxiliares.
Para cada función auxiliar se establecen un
par de umbrales: uno para la detección y
otro para el inicio y el final del complejo
QRS.
La Figura.2 muestra un ejemplo de la FVE
calculada durante ocho segundos según la
expresión clásica. De forma general, la FVE se
redefine por los autores como aparece en la
expresión (6).
N
FVE j   xi, j  xi, j  1 * elect 
2
(6)
Figura. 2. Función de Velocidad Espacial calculada
a partir de las ocho derivaciones
independientes.
i 1
donde:
FVE[j]: Función de Velocidad Espacial en el
instante j.
X[i,j]: Valor de la derivación i en el instante j.
elect: Estado de los electrodos
(conectado/desconectado).
N: cantidad de derivaciones.
Una vez que un complejo QRS ha sido
detectado, se procede a su clasificación en
prematuro o no prematuro. Un complejo será
prematuro si el intervalo RR que lo precede es
menor que el 75% del intervalo RR promedio
El proceso de detección consta de dos fases: la
primera es denominada aprendizaje, dura cinco
segundos y su objetivo es fijar los umbrales
necesarios para cada una de las funciones
auxiliares a partir de sus valores máximos. Un
primer umbral determina si la muestra
estudiada pertenece a una zona candidata a
ser un complejo QRS y un segundo umbral es
fijado para identificar el inicio y el final del
complejo identificado.
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(se actualiza cada 10 s). También serán
considerados como prematuros aquellos
complejos QRS que tengan una duración mayor
que el 120% de la duración media; este
segundo criterio se aplica con el fin de eliminar
aquellas extrasístoles ventriculares que no son
prematuras. Esta clasificación se realiza con el
fin de medir la desviación del segmento ST
solamente en aquellos complejos que fueron
clasificados como no prematuros. Los umbrales
utilizados se basan en experiencias anteriores
de los autores [7].
Una vez que se tiene el valor de la desviación
del segmento ST en cada derivación, se calcula
el módulo del vector ST a partir de la expresión
(7).
ST m i 
2
2
(7)
donde:
STm[i]: módulo del vector ST en el instante i.
STII[i]: desviación del segmento ST en la
derivación II.
STV1[i]: desviación del segmento ST en la
derivación V1.
STV5[i]: desviación del segmento ST en la
derivación V5.
Para el cálculo de la expresión (7), se asume
que las derivaciones II, V1 y V5 definen un
sistema de ejes ortogonales y que los valores
de las desviaciones del segmento ST en cada
una de ellas no son más que las proyecciones
del vector ST en cada uno de los planos.
Cada vez que un complejo QRS es clasificado
como no prematuro, se calcula el módulo del
vector ST y de evalúa si su valor ha alcanzado
un nivel que pueda considerarse como
peligroso. No obstante, valores aislados del
módulo del vector ST no se consideran
suficientes para activar una alarma, sino que se
busca una situación estable, o sea, se espera a
tener al menos tres complejos QRS no
prematuros consecutivos en los que se hayan
medido valores anormales del módulo del
vector ST.
El método propuesto fue evaluado con tres
pruebas ergométricas y con cinco segmentos
de ECG de diez minutos de duración
correspondientes a cinco individuos que no
tenían antecedentes de desviaciones
significativas del segmento ST en estado de
reposo. Las doce derivaciones fueron
adquiridas simultáneamente a una frecuencia
de muestreo de 250 Hz y filtradas tal como se
explicó en el epígrafe anterior. Dos de las
pruebas ergométricas presentaban
una
evolución de la desviación del segmento ST
hacia valores peligrosos, mientras que la
tercera fue considerada como negativa, o sea,
no se observaron en ella desviaciones
Figura 3. Diferentes complejos QRS prematuros
(a, b).
La línea base del ECG se estima a partir del
promedio de los valores de la señal en el inicio
de los últimos tres complejos QRS que fueron
clasificados como no prematuros. El punto
medio del segmento ST se determinará a partir
de una relación inversamente proporcional
entre la frecuencia cardiaca y la distancia que
existe entre el punto a medir y el punto J (final
del complejo QRS e inicio del segmento ST), o
sea, mientras menor es la duración del intervalo
RR (mayor frecuencia cardiaca), menor será la
distancia entre el punto J y el punto medio del
segmento ST. De esta forma se evita realizar
falsas mediciones en la primera rama de la onda
T.
Figura 4. El segmento ST dentro del ciclo cardíaco.
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ST II i  ST V 1 i  ST V 5 i
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significativas del segmento ST ante el esfuerzo
físico. Las pruebas ergométricas fueron
realizadas con el sistema ERGOCID y los ECG
en reposo fueron hechos con el
electrocardiógrafo digital CARDIOCID-BS,
ambos equipos son diseñados y fabricados en
Cuba.
Se identificaron como normales 10389
complejos de los 10397, lo que representa un
99,92%. Se produjeron ocho falsos negativos
respecto a la normalidad, o sea, hubo ocho
complejos QRS que eran normales y fueron
considerados como prematuros. Seis de estos
complejos tuvieron un intervalo RR precedente
que cumplía con el criterio establecido para ser
considerados como prematuros, mientras que
dos fueron considerados como prematuros por
satisfacer el criterio de duración explicado en el
epígrafe anterior. Todos los complejos
prematuros ventriculares fueron identificados,
o sea, no se produjeron falsos negativos en
esta clasificación.
Con el fin de evaluar la exactitud en la medición
de la duración del QRS, se seleccionaron 200
complejos QRS al azar y se midieron con
herramientas gráficas. Se estableció que un
error de hasta un 12 ms en la duración era
aceptable. Para ello se tomo en consideración
que 12 ms son equivalentes a 0,30 mm en un
registro impreso a 25 mm/s que es la velocidad
estándar para la impresión del ECG. Un error
de tal magnitud no es significativo para un
humano que se dedique a la interpretación del
ECG por el método tradicional. En estos
mismos complejos se consideró que la
identificación del inicio del complejo QRS y el
punto J fueron satisfactorias. La medición de la
desviación del segmento ST nunca se realizó
en la rama ascendente de la onda T a pesar de
que hubo momentos en las pruebas
ergométricas en que la frecuencia cardíaca
alcanzó el valor de 160 latidos por minuto. La
tabla III muestra un resumen de la evaluación
realizada.
3. RESULTADOS
La Tabla I muestra la cantidad de complejos
QRS estudiados y la clasificación de estos
según dos expertos que revisaron las señales
fuera de línea; para ello contaron con un
programa con interfaz gráfica que les permitía
hacer mediciones y señalar los puntos de
interés.
Tabla I. Complejos QRS estudiados
Normales
Prematuros Ventriculares
Prematuros Auriculares
Total
CANTIDAD
10397
361
0
10758
%
96,64
3,36
0,00
100,00
Se detectaron todos los complejos QRS
presentes, independientemente de que fueran
prematuros o no. No hubo ni falsos positivos
(zonas del ECG identificadas equívocamente
como complejos QRS) ni falsos negativos
(complejos QRS que no fueron detectados). La
clasificación de los complejos QRS tuvo el
comportamiento que se aprecia en la Tabla II.
Tabla II. Clasificación de los complejos QRS
estudiados
Normales identificados
Falsos Positivos
Falsos Negativos
Prematuros Ventriculares
Total
Tabla III. Exactitud en la medición de la duración del
QRS
CANTIDAD
10389
0
8
369
10758
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Coincidencia total
Error de hasta 5 ms
Error entre 6 y 10 ms
Error mayor que 10 ms
Total
27
CANTIDAD
48
126
22
4
200
%
24
63
11
2
100
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En las pruebas ergométricas se pudo observar
que el módulo del vector ST mantenía un valor
estable mientras no había desviaciones
importantes del segmento ST según el método
tradicional. Sin embargo, en las pruebas en
que se observaron desviaciones patológicas
del segmento ST el módulo del vector ST
comenzó a alejarse de su valor medio dos
minutos antes de que en la prueba ergométrica
apareciera una alarma. En los casos tomados
en reposo, el valor del módulo del segmento ST
se mantuvo estable todo el tiempo.
complejos estudiados. Además, estos errores
no influyeron en los resultados de la
investigación.
Es importante señalar que al establecerse una
relación entre el intervalo RR promedio y la
distancia respecto al punto J del instante en que
se mide la desviación del segmento ST, se evitó
un error clásico en la medición de este
parámetro que es la realización de la medición
en la primera rama de la onda T cuando la
frecuencia cardíaca se incrementa. Al utilizar
umbrales para cada grupo de derivaciones
también se logró mejorar la identificación del
complejo QRS respecto a trabajos anteriores y
por tanto la medición de la desviación del
segmento ST fue más precisa.
El estudio del módulo del vector ST ofreció
resultados interesantes. Es un parámetro que
tiene un comportamiento muy estable en
condiciones normales, mientras que fue
sensible a las anomalías antes de que el
método tradicional de observar las
derivaciones por separado diera un valor
patológico en alguna de ellas. Esta
característica lo puede hacer de mucha utilidad
en Unidades de Cuidados Intensivos o
Coronarios en las que el factor tiempo resulta
fundamental al atender complicaciones en
pacientes aquejados de infarto del miocardio.
4. DISCUSIÓN
La detección de complejos QRS tuvo un
resultado satisfactorio pues todos los
complejos fueron detectados. Este resultado ha
sido reportado por autores en trabajos
anteriores [7] [8].
La variante de calcular simultáneamente tres
funciones auxiliares para la detección del
complejo QRS tiene como ventaja fundamental
que es posible lograr un refinamiento sustancial
en la identificación de los instantes de inicio y
final de los complejos si se compara con la
variante descrita en otros trabajos por los
autores de utilizar un único umbral para el inicio
y el final en todas las derivaciones. Esta
variante es muy propensa a errores cuando se
estudian pacientes con bloqueos de rama o con
desviaciones de los ejes. En la detección de
complejos QRS debe destacarse también la
ausencia de falsos positivos y falsos negativos,
aunque este resultado también ha sido
alcanzado con la expresión original de la FVE y
pacientes estudiados en estado de reposo [7].
A pesar de que el proceso de clasificación de
complejos QRS es muy sencillo, se obtuvieron
resultados satisfactorios pues en ningún caso
se clasificó una extrasístole ventricular como un
complejo QRS normal y por tanto no se
realizaron mediciones en complejos que no
caracterizaran el ritmo cardíaco del paciente
estudiado. Se produjeron ocho errores en la
clasificación de complejos QRS como
normales, pero esta cifra puede considerarse
como no significativa ante la cantidad de
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5. CONCLUSIONES
Un método para el estudio espacial del
segmento ST ha sido desarrollado y evaluado
de forma preliminar con resultados
satisfactorios. Se pudo comprobar que una
forma sencilla de discriminación de los latidos
ventriculares prematuros ofreció resultados
satisfactorios pues nunca se consideró un
latido ventricular como normal y este era el
objetivo básico de la clasificación.
El método fue evaluado con más de 10000
ciclos cardíacos y siempre se realizaron las
mediciones del ST en la forma adecuada, o sea,
en un latido normal y sin penetrar en la primera
rama de la onda T.
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Los resultados obtenidos hacen suponer que el
algoritmo propuesto puede resultar útil para el
cuidado intensivo de pacientes que hayan
sufrido infartos del miocardio pues el método es
sensible a los cambios de la desviación del
segmento ST desde que estos comienzan a
producirse.
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