New signal processing algorithms for automated external - ADDI

185 Pages·2010·10.77 MB·English

(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
NEW SIGNAL PROCESSING
ALGORITHMS FOR AUTOMATED
EXTERNAL DEFIBRILLATORS
BY
UNAI IRUSTA ZARANDONA
SUPERVISOR
JESÚS MARÍA RUIZ OJEDA
SUBMITTED IN PARTIAL FULFILLMENT
FOR THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE
OF DOCTOR OF SCIENCE
DEPARTMENT OF ELECTRONICS AND TELECOMMUNICATIONS
BILBAO, JULY 2010
(cc)2010 Unai Irusta Zarandona (cc by-nc-sa)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
Dedicatedtomylovingwife,Cristina,forher
endlesssupport,patienceandencouragement.
Thanksforlookingsowellafteryourcocodrilos.
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
ABSTRACT
Life is a journey sometimes interrupted in a sudden and unex-
pectedway.
In40%ofsuddenout-of-hospitalcardiacarrest(OHCA)cases
theinitiallyrecordedheartrhythmisventricularfibrillation(VF).
TheonlyeffectivewaytotreatVFisbyprocuringadefibrillating
electricalshocktotheheart.Inanout-of-hospitalsetting,theshock
is delivered using an automated external defibrillator (AED), a
devicecapableofanalyzingthevictim’selectrocardiogram(ECG)
todetectifashockablerhythmispresent.SurvivalfromOHCA
dependslargelyontwofactors:earlydefibrillationandearlycar-
diopulmonaryresuscitation(CPR),whichprolongsthewindow
ofopportunityfordefibrillation.CPRmustbestoppedforareli-
ableAEDrhythmanalysisbecausechestcompressionsintroduce
artifactsintheECG.Unfortunately,interruptingCPRadversely
affectsdefibrillationsuccess.
The use of AEDs in 1 to 8 year olds was approved in 2003.
AEDs, which were originally designed for adult patients, must
accurately discriminate pediatric arrhythmias to be safely used
in children. Several AEDs have been adapted for pediatric use,
eitherbydemonstratingthatexistingadultalgorithmsaccurately
diagnosepediatricarrhythmiasorbycreatingspecificalgorithms
todiagnosepediatricarrhythmias.
ThisthesispresentsanewAEDalgorithmdesignedforadult
andpediatricpatientstogether.Thealgorithmisthoroughlytested
usingpediatricandadultarrhythmiadatabasescompliantwith
theAmericanHeartAssociation(AHA)statements,andonreal
resuscitationdatawithandwithoutCPRartifacts.
Theworkstartedwithalongexperimentalphaseinwhich1090
pediatricrhythmswereretrospectivelycollectedandclassifiedto
create a comprehensive database of pediatric arrhythmias. Ad-
ditionally, an existing adult database was revised and 928 new
adultrhythmswerecollectedandclassified.Thecompletedataset
is composed of 2782 registers, 1270 were used to develop the
algorithmand1512totestit.
Then,anewAEDshockadvicealgorithmcomposedoffoursub-
algorithmswasdesigned.Thesesub-algorithmsarebasedonaset
ofnewarrhythmiadetectionfeaturesderivedfromseveralsignal
domains such as time, frequency, slope or the autocorrelation
function.ThealgorithmexceededtheAHAperformancegoalsfor
v
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
the detection of shockable and non-shockable rhythms both on
adultandpediatricarrhythmias.
The work concluded with the analysis of the performance of
thealgorithmforrealresuscitationdataextractedfromacompre-
hensivedatabaseofOHCAepisodes.AllAHAperformancegoals
weremetforartifact-freeOHCArhythms.Then,theperformance
ofthealgorithmduringchestcompressionswasassessed,before
and after the suppression of the CPR artifact. The CPR artifact
wassuppressedusinganewmethodologydevelopedaspartof
this thesis work. Although shockable rhythms were accurately
identifiedafterfiltering,non-shockablerhythmswerenot.
vi
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
LABURPENA
Bizitza bidaia da, batzuetan bat-batean eta ezustean eteten den
bidaia.
Ospitaletikkanpogertatzendirenbat-batekobihotz-biriketako
geldiketa-kasuen%40anlehendabizigrabatutakobihotz-erritmoa
fibrilaziobentrikularra(FB)da.Bihotzeandesfibrilazioaeragingo
duendeskargaelektrikoaemateadaFBatratatzekomodueragin-
korbakarra.Ospitaletikat,kanpokodesfibrilagailuautomatikoa
(KDA)erabiltzendadeskargaemateko,pazientearenelektrokar-
diograma (EKG) aztertu eta desfibrilagarriak diren erritmoak
detektatzekogaitasunaduenaparagailua,alegia.Kasuhorietan,
biziraupena bi faktore hauen menpekoa da: desfibrilazio goiz-
tiarraren menpekoa eta bihotz-biriketako berpizte (BBB) goizti-
arrarenmenpekoa(desfibrilazioaematekoaukera-lehioaluzatzen
duena).BBBanematendirenbular-sakadekinterferentziasortzen
dute EKGan; ondorioz, BBBa gelditu behar da KDAk bihotz
erritmoaegokiroazterdezan.Tamalez,geldiketahoriekdesfibri-
lazioarenarrakastamailatxikiagotzendute.
KDA-aren erabilera 1 eta 8 urte bitarteko umeekin 2003an
onartu zen. Ordura arte paziente helduak tratatzeko diseinatu-
takoKDAkmoduzehatzeanidentifikatubehardituztearritmia
pediatrikoak,umeekinerabiliahalizateko.ZenbaitKDAumeekin
erabiltzeko egokitu dira, bi eratara: helduekin erabiltzen diren
algoritmoak umeekin ere zehatzak direla frogatuz, eta umeen
arritmiakidentikatzekoalgoritmobereziakerabiliz.
Tesi honetan KDA algoritmo berri bat garatu da, diseinua
pazientehelduetapediatrikoekinbateraeginez.Algoritmoasakon
egiaztatuda.Batetik,AmericanHeartAssociation(AHA)erakun-
deakezarritakobaldintzakbetetzendituztenhelduenetaumeen
arritmia datu-baseak erabiliz, eta, bestetik, bihotz-geldiketetan
grabatutako arritmiak erabiliz, BBB interferentziaz kutsatutako
etainterferentziarikgabekokasuetan.
Tesi-lana atal experimental luze batekin hasi zen. Fase horre-
tan1090arritmiapediatrikobilduetaklasifikatuziren,arritmia
pediatrikoen datu-base zabal bat sortuz. Horrez gain, helduen
datu-baseosobatberraztertueta928helduenarritmiaberribildu
etaklasifikatuziren.Datu-baseosoak2782erregistroditu:1270al-
goritmoagaratzekoerabilizireneta1512algoritmoaegiaztatzeko.
Ondoren,lauazpialgoritmozosatutakoalgoritmoberriagaratu
zen.Azpialgoritmoekseinalearenzebaiteremutankalkulatutako
vii
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
parametroberriakerabiltzendituztearritmiakdetektatzeko;adi-
bidez,denbora,maiztasuna,pendizaedoautokorrelazio-funtzioa.
AlgoritmoberriakAHAkezarritakomailakgainditzendituerritmo
desfibrilagarrietaez-desfibrilagarriakdetektatzeko,pazientepe-
diatrikozeinhelduekin.
Lanaren azken atalean, algoritmo berriak bihotz-geldiketan
grabatutakoerregistroakidentifikatzekoduenahalmenaaztertu
zen.BBBinterferentziarikgabekoerritmoetan,algoritmoakAHAk
ezarritako mailak gainditzen ditu. Ondoren, erritmoak aztertu
ziren bular-sakadak ematen ziren bitartean, BBB interferentzia
ezabatuaurretiketaezabatuondoren.Interferentziaezabatzeko,
tesian zehar garatutako metodo berri bat erabili zen. BBB inter-
ferentziaezabatuondoren,erritmodesfibrilagarriakmoduzeha-
tzeanidentifikatuziren;erritmoez-desfibrilagarriak,ez.
viii
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
RESUMEN
Lavidaesunviajequeavecesseinterrumpedeformasúbitae
inesperada.
La fibrilación ventricular (VF) es el primer ritmo registrado
en el 40% de las muertes súbitas por paro cardiorrespiratorio
extrahospitalario(PCRE).ElúnicotratamientoeficazparalaFV
es la desfibrilación mediante una descarga eléctrica. Fuera del
hospital, la descarga se administra mediante un desfibrilador
externoautomático(DEA),quepreviamenteanalizaelelectrocar-
diograma(ECG)delpacienteycompruebasipresentaunritmo
desfibrilable.LasupervivenciaenuncasodePCREdependefun-
damentalmente de dos factores: la desfibrilación temprana y la
resucitacióncardiopulmonar(RCP)temprana,queprolongalaFV
yporlotantolaoportunidaddedesfibrilación.Parauncorrecto
análisisdelritmocardiacoesnecesariointerrumpirlaRCP,yaque,
debidoalascompresionestorácicas,laRCPintroduceartefactos
enelECG.Desafortunadamente,lainterrupcióndelaRCPafecta
negativamentealéxitoenladesfibrilación.
En2003seaprobóelusodelDEAenpacientesentre1y8años.
LosDEA,queoriginalmentesediseñaronparapacientesadultos,
debendiscriminardeformaprecisalasarritmiaspediátricaspara
quesuusoenniñosseaseguro.VariosDEAssehanadaptadopara
usopediátrico,biendemostrandolaprecisióndelosalgoritmos
paraadultosconarritmiaspediátricas,obienmediantealgoritmos
específicosparaarritmiaspediátricas.
EstatesispresentaunnuevoalgoritmoDEAdiseñadoconjun-
tamenteparapacientesadultosypediátricos.Elalgoritmoseha
probadoexhaustivamenteenbasesdedatosacordesalosrequi-
sitosdelaAmericanHeartAssociation(AHA),yenregistrosde
resucitaciónconysinartefactoRCP.
Eltrabajocomenzóconunalargafaseexperimentalenlaque
serecopilaronyclasificaronretrospectivamenteuntotalde1090
ritmos pediátricos. Además, se revisó una base de arritmias de
adultosyseañadieron928nuevosritmosdeadultos.Labasede
datosfinalcontiene2782registros,1270seusaronparadiseñarel
algoritmoy1512paravalidarlo.
Acontinuación,sediseñóunnuevoalgoritmoDEAcompuesto
de cuatro subalgoritmos. Estos subalgoritmos están basados en
unconjuntodenuevosparámetrosparaladeteccióndearritmias,
calculados en diversos dominios de la señal, como el tiempo,
ix
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)
la frecuencia, la pendiente o la función de autocorrelación. El
algoritmocumplelasexigenciasdelaAHAparaladetecciónde
ritmosdesfibrilablesyno-desfibrilablestantoenpacientesadultos
comoenpediátricos.
El trabajo concluyó con el análisis del comportamiento del
algoritmo con episodios reales de resucitación. En los ritmos
quenoconteníanartefactoRCPsecumplieronlasexigenciasde
la AHA. Posteriormente, se estudió la precisión del algoritmo
durante las compresiones torácicas, antes y después de filtrar
el artefacto RCP. Para suprimir el artefacto se utilizó un nuevo
métododesarrolladoalolargodelatesis.Losritmosdesfibrilables
sedetectarondeformaprecisatraselfiltrado,losno-desfibrilables
sinembargono.
x
(cid:105) (cid:105)
(cid:105) (cid:105)