ANÁLISIS DEL SEGMENTO ST EN UN SISTEMA DE MONITOREO

Memorias II Congreso Latinoamericano de Ingeniería Biomédica, Habana 2001, Mayo 23 al 25, 2001, La Habana, Cuba
ANÁLISIS DEL SEGMENTO ST EN UN SISTEMA DE
MONITOREO AMBULATORIO
María del Carmen Raola Iglesias, Daniel Jiménez González,
Roberto Montero Herrera, Alberto Rodríguez Gómez.
Instituto Central de Investigación Digital
Calle 202 #1704, Siboney, 11600 Ciudad de la Habana, Cuba.
Email: [email protected]
RESUMEN
En este trabajo se describe un algoritmo de estructura
modular para el análisis y medición del Segmento ST. Se
describen los diferentes módulos, así como la relación entre
los mismos y las principales características y criterios que
definen la clasificación morfológica y las mediciones en los
complejos QRS detectados. Este algoritmo forma parte del
software de análisis del sistema de ECG de larga duración
EXCORDE, desarrollado por los autores de este trabajo.
Este sistema esta destinado a la realización de pruebas de
Holter. En salas de cardiología de diferentes hospitales de
nuestro país se han realizado más de 300 pruebas de Holter
utilizando este sistema, entre ellas alrededor de 100
pruebas con el objetivo de detectar descniveles del
Segmento ST.
Palabras clave: Segmento ST, detección de episodios de
ST, Holter.
1. INTRODUCCIÓN
Debido a que el hombre pasa en movimiento más de la
mitad de su vida, se pensó desde hace muchos años que el
electrocardiograma (ECG) convencional debería cambiar
indudablemente al variar las circunstancias del paciente.
Esta impresión se fue reforzando con el hecho
reiteradamente observado de que algunas personas, a las
que se les habia practicado recientemente un
electrocardiograma convencional con resultado normal
sufrían infarto de miocardio, o fallecían súbitamente por
causa presumiblemente cardiaca. De ahí que, el interés de
los científicos se fue orientando a la búsqueda de algún
sistema que permitiese recoger el ECG, de una persona en
movimiento. En la década de los 70, debido a las
investigaciones del doctor Norman Holter, se obtiene un
equipo de ECG ambulatorio[1].
La ECG de Holter permite registrar la actividad eléctrica
del corazón durante un período de tiempo usualmente de 24
horas, mientras el paciente esta realizando sus actividades
diarias normales, para posteriormente ser analizadas en un
tiempo considerablemnte menor en la estación de trabajo.
un sistema de monitoreo ambulatorio un método básico de
exploración cardiovascular: la primera, es que determinadas
patologías no pueden ser diagnosticadas utilizando
métodos convencionales de electrocardiografía, debido a la
ausencia de correlación entre la sintomatología aquejada
por el paciente y los hallazgos electrocardiográficos en
reposo y la segunda, la extraordinaria y precisa información
que suministra, extraída desde el entorno propio del
paciente a lo largo de una jornada habitual (24 horas) y con
ausencia absoluta de riesgo ya que constituye un método no
invasivo de exploración.
Una de las primeras aplicaciones de esta técnica estuvo
centrada en el estudio de las arritmias, permitiendo
establecer una correlación entre los síntomas referidos por
el paciente y los hallazgos electrocardiográficos.
Posteriormente sus aplicaciones se fueron ampliando siendo
útil en la valoración del potencial terapéutico de los
fármacos antiarrítmicos y en el control de la función de
marcapasos permitiendo conocer los fallos de este, saber si
los síntomas presentados se deben a ellos o no y conocer el
tiempo que se usa el marcapasos y la presencia de arritmias
asociadas.
Ya en los últimos años, los avances tecnológicos han
permitido desarrollar una instrumentación más sofisticada,
sustituyendo los soportes magnéticos utilizados como medio
de almacenamiento por memorias de estado sólido,
eliminando así los inconvenientes mecánicos. Producto del
desarrollo de la ECG de Holter su uso se ha extendido al
estudio de las alteraciones de la repolarización, que se
traducen en el trazado electrocardiográfico por desniveles
del Segmento ST que deben ser medidas con precisión[2].
El objetivo de este trabajo consiste en describir el algortimo
para la detección y medición de los desniveles del
Segmento ST utilizado en el Sistema de ECG de larga
duración EXCORDE y mostrar los resultados preliminares
de la evaluación de este algortimo.
2. METODOLOGÍA
Se utilizó el Sistema de Monitoreo Electrocardiográfico
Ambulatorio EXCORDE desarrollado en nuestro instituto
Por tanto, existen dos razones fundamentales que hacen de
950-7132-57-5 (c) 2001, Sociedad Cubana de Bioingeniería, artículo 00189
y actualmente instalado en varias instituciones hospitalarias
del país, ver Fig 1.
El sistema EXCORDE esta destinado a la realización de
pruebas de Holter. Es un equipo diseñado para la
adquisición y estudio de la señal electrocardiográfica ( ECG
) de un paciente realizando su vida normal durante un
periodo prolongado de tiempo ( 24h). Ha sido concebido
para la adquisición de dos canales de señal de ECG en
forma ambulatoria y su posterior visualización y análisis en
una estación de trabajo. Son muy utilizadas las derivaciones
torácicas bipolares parecidas a V1 y V5, ya que V1 nos
permite identificar la actividad auricular y V5 permite
apreciar cambios isquémicos del Segmento ST.
La información es almacenada en una tarjeta PCMCIA de
20 MB y procesada posteriormente en una PC con un
software sobre Windows, que realiza el análisis de la señal
de ECG y emite reportes con los resultados obtenidos.
En tercer lugar, solo se realizan las mediciones en los
complejos que hayan sido detectados y calsificados como
normales, de aquí la necesidad de un algoritmo de
clasificación que distinga los complejos normales de los
anormales[3].
Una vez que el complejo ha sido clasificado como normal
se realizan las mediciones del Segmento ST sobre dicho
complejo. Todos los complejos que han sido detectados se
van computando para en un intervalo de observación
prefijado por el técnico del equipo calcular la frecuencia
cardiaca. Por lo antes mencionado el sistema de análisis y
medición del Segmento ST es una combinación de los
siguientes módulos:
Filtraje Digital
Su propósito es la eliminación del desnivel de la línea base,
interferencia de 60 Hz y la atenuación de artefactos. El
filtro utilizado consta de dos ramas cada una de las cuales
contiene dos filtros del tipo moving average (MAF) en
cascada y filtra la señal en la banda de 0.05 Hz a 45Hz[4].
Detección de QRS
El detector de QRS utilizado está basado en una
transformación de la señal de entrada (función de energia)
que permite la detección de zonas de máxima energia las
cuales están asociadas con los complejos QRS. Una vez
realiazada la transformación de energía se aplica un
clasificador adaptativo basado en la distancia minima a los
centros de clase ( clase QRS y clase no QRS) para decidir
cuando se esta en presencia de un QRS y cuándo no. Para la
detección del complejo QRS se introduce un tecer canal
resultante de la suma de los dos canales recogidos. Esto se
realiza con el objetivo de mejorar la detección de complejos
de pequeña amplitud y reducir la detección de falsos
positivos provocados por la aparición de ruidos en un
canal[5].
Fig. 1 Registrador del sistema de ECG de larga duración EXCORDE
Clasificación Morfológica
El algoritmo principal de procesamiento en este trabajo
posee una estructura modular, la cual permite una adecuada
flexibilidad a la hora de realizar modificaciones en
diferentes partes o secciones que lo integran y además
cuenta con un cuidadoso diseño de mecanismos de control y
comunicación entre los diferentes módulos que garantice el
procesamiento en tiempo real, y a la vez asincrónico de la
señal de ECG en dos canales.
Para realizar las mediciones del Segmento ST se hacen
necesarias ciertas premisas. Primeramente, la señal debe ser
filtrada eliminando de esta forma los ruidos musculares,
respiratorios y de la línea de alimentación que se ven
implicados en la señal recogida, facilitando la aplicación de
cualquier algoritmo de identificación y análisis de los
latidos cardíacos, que se corresponden en el trazado
electrocardiográfico a los complejos QRS.
En segundo lugar se deben determinar los puntos del QRS
sobre los cuales se van a hacer las mediciones del Segmento
ST, para lo cual es necesario haber detectado antes el QRS.
El algoritmo de clasificación morfológica es una
combinación de una técnica de correlación y puntuación.
La técnica de correlación está basada en el cáculo del Area
de Diferencias (AD) y el sistema de puntuación tiene en
cuenta características de ancho, prematuridad, pausa y
polaridad de la onda T con respecto al complejo QRS. Una
de las condiciones que se considera para determinar si un
QRS es parecido es normal es cuán parecido es al patrón
con morfología normal detectado en un período de ritmo
estable en fase de aprendizaje del algoritmo de análisis.
Sean:
T(n) : Muestras pertenecientes al QRS Normal.
PendienteST =
Y(n) : Muestras pertenecientes al QRS en proceso.
ST 80 − ST 40
0.04 s
Se define el Area de Diferencias (AD) como:
n
AD =
∑ abs[Y (n) − T (n)]
j:=1
n
∑ T ( n)
t :=1
Para calcular el AD de los QRS involucrados son alineados
por el pico de la onda R. Se dice que un QRS se parece la
familia normal si su AD<0.9[6].
Un QRS es ancho si es un 40 mseg más ancho que el
patrón normal determinado en la fase de aprendizaje. Esta
propiedad es distintiva de latidos clasificados como
extrasístoles ventriculares.
La prematuridad y la pausa son determinadas teniendo en
cuenta la relación entre el Intervalo RR del QRS en proceso
y el Intervalo RR promedio determiando en la fase de
aprendizaje.
El intervalo RR no es más que la distancia que separa los
picos de las ondas R de dos QRS consecutivos en el tiempo.
Medición de nivel y pendiente del Segmento ST
Fig. 2 Pantalla para la medición del Segmento ST en el
EXCORDE.
Para realizar la medición del nivel y pendiente del
Segmento ST se determinan tres puntos significativos[7]:
Punto 1: Indica el centro del intervalo PQ, representa la
línea isoelectrica.
Punto 2: Indica la localización del Segmento ST
Punto 3: Usado para la medición de la pendiente de ST.
En este sistema el punto 1 fue tomado como un promedio de
las amplitudes en los 40 mseg anteriores al punto de inicio
de QRS reportado por el detector, el punto 2 se define el
punto J+x donde J es tomado como el punto final del QRS
y x ∈ [20,120] mseg, en nuestro sistema se utiliza el punto
J+80 mseg, el punto 3 se determina a 40 mseg del punto 2,
según de muestra en la Fig 2.
El desnivel de ST (mV) es calculado a través de la siguiente
formula:
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En diferentes hospitales de nuestro país se han realizados
más de 300 pruebas de Holter utilizando el sistema de ECG
de larga duración diseñado por los autores de este trabajo,
entre estas, aproximadamente en el 70% de los casos fue
con el objetivo de detectar arritmias y en un 30% se
detectaron desniveles del Segmento ST sugestivos de
isquemia miocárdica.
Se comprobo que cambios del Segmento ST durante la
actividad diaria, no dependen
exclusivamente de la
presencia de isquemia miocárdica, sino que pueden suceder
desde eventos fisiológicos normales (tono simpático,
cambios de posición, hiperventilación, etc.) hasta otros
procesos patológicos de la conducción intraventricular,
sobrecarga sistólica del ventriculo izquierdo, etc.
Desninel de ST= Punto 2 - Punto 1
Se detectaron adecuadamente los desniveles del Segmento
ST en los casos sugestivos de isquemia miocárdica o con
reconocida enfermedad coronaria.
La pendiente de ST (mV/s) es calculada a través de la
siguiente formula:
Donde:
ST80: Desnivel de ST a 80 ms del punto J.
ST40: Desnivel de ST a 40 ms del punto J.
Los algoritmos utilizados para el análisis de la señal ECG
en el EXCORDE han sido evaluados utilizando las
grabaciones de la base de electrocardiogramas MIT-BIH y
según establece la norma de la Asociación para el Avance
de la Instrumentación Médica (AAMI) obteniendose una
sensibilidad de detección de extrasístoles ventriculares de
92.39% y una sensibilidad de detección de QRS de 99.65%
[8,9].
4. CONCLUSIONES
El EXCORDE es un sistema para la realización de pruebas
de Holter que incluye una amplia gama de estudios que
típicamente se realizan a través de esa prueba. La
utilización de la tecnología de memoria PCMCIA Flash,
permite una fácil lectura de la señal grabada por el
Registrador, hacia el Analizador sin pérdida de información
y sin necesidad de mantener energizado el medio de
almacenamiento.
El Analizador EXCORDE tiene un diseño de interfaz con el
usuario que permite fácil acceso a toda la información y a la
vez flexibilidad para modificar los posibles errores de un
procesamiento automatizado.
Una utilidad del monitoreo Holter, digna de resaltar es en
aquellos pacientes con cuadro clínico sugestivo de angina
vasoespástica, en donde el registro electrocardiográfico
ambulatorio puede mostrar supradesnivel transitorio del
segemento ST durante episodios de dolor torácico.
Este método no solo es aplicable a equipos para la
realización de pruebas de Holter, sino a cualquier equipo
de electrocardiografía en general.
AGRADECIMIENTOS
La ayuda brindada por los especialistas en cardiología del
Hospital Hermanos Ameijeiras e Instituto de Cardiología
fue de vital importancia para el desarrollo de este trabajo.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
Palma, J. L.: Electrocardiografía de Holter, Ed. Científico Técnica,
Ciudad de la Habana, 1987.
Bayes de Luna, A. Y J. L. Palma: Electrocardiografía de Holter ,
Barcelona, Ed. Labaz, 1983.
Morejon, A. M. et al. : ¨Implementation of an algorithm for ST
Monitoring and Analysis in Real Time¨., Ed. Científico Técnica,
Ciudad de la Habana, 1985.
Ligtenberg, A & M. Kunt: “ A Robust Digital QRS Detection
algorithm for arrhythmia monitoring”, Comp. Biomed. Res,. 16,pp.
273-286, 1983.
Palhm, O. & L. Sarmo: “ Software QRS Detection in ambulatory
monitoring¨, Comp. Biomed. Res., 16, pp. 289-297, 1984.
Throne, R. D. ; J. M. Jenkis & L. A. Dicarlo: “Area od difference
methods for detection of ventricular tachycardia using
morphology”, computers in Cardiology, pp. 569-573, Chicago,
Illinois, USA, 1990.
Hubelbank, M: “ ST Analysis of Holter Tapes”, Proc. IEEE
Computers in Cardiology, pp. 68-71, Limkoping, Sweden, 1986.
MIT-BIH Arrhythmia Database. Available from: MIT-BIH
Database Distribution, Massachusetts Institute of Technology, 77
Massachusetts Avenue, Room 20 A-113, Cambridge, MA 02139
USA.
Association for the Advancement of Medical Instrumentation
(AAMI) Testing and reporting results of ventricular arrhythmia
detection algorithms. AAMI Recommended Practice, 1987.
ANALYSIS OF ST SEGMENT CHANGES IN LONG TERM
ECG SYSTEMS
ABSTRACT
This paper describes a modular algorithm for ST Segment measurements for an ambulatory ECG system. The
different modules including the relationship between them and the principal characteristics that define the
classification using morphology as well as the measurement in the complex QRS are described. This algorithm is
used in the long-term ECG system EXCORDE designed by the authors of this paper. This system has been used
with more than 300 patients in cardiology rooms of several hospitals in Cuba, including 100 patients with
ischemic episodes as periods of ST-Segment depression.