Λήψη και επεξεργασία ppg βιοσημάτων και πρόβλεψη επικείμενων καρδιακών δυσλειτουργιών

Abstract

This dissertation aimed to design and implement an innovative electronic system for receiving and processing cardiac signals based on the theory of natural time to predict sudden cardiac death (SCD). One device that could diagnose early heart disorders associated with SCD would be the electrocardiograph or ECG device. Still, due to cost, complexity and inconvenience, it is impossible to use it for long periods. In recent years, the technology of photoplethysmography (ppg) has been developing as a non-invasive, easy to use and economical method of recording cardiac function.The process followed to achieve our goal is divided into three stages. First, a wireless and low-cost ppg biomarker receiving and processing system was designed and built. Also, algorithms were developed for the: (a) time detection of P and R peaks (b) the calculation of the PP and RR intervals for the ppg end ecg signal respectively.Secondly, our ppg system was tested on patients hospitalized in the 2nd Cardiology Clinic of the University Hospital of Ioannina and on healthy individuals. At the same time, ecg signals were recorded as a control method to evaluate and confirm the accuracy of the PP intervals concerning the RR intervals of the ecg signal. The results of the complexity measures of the two groups proved that they could be successfully separated.In the third stage and having passed about two years from the last ppg and ecg recording, six deaths of patients, were confirmed from the data kept by the Cardiology Clinic. These subjects had heart disease, which may be associated with causes of sudden cardiac death. In the ppg and ecg data of the subjects who died and in the other patients, different measures of physical time complexity were calculated, which managed to separate these two groups confirming the possibility of our innovative ppg system in SCD prediction.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η σχεδίαση και κατασκευή ενός καινοτόμου συστήματος λήψης και επεξεργασίας καρδιακών σημάτων, βασισμένο στην θεωρία του φυσικού χρόνου, δίνοντας του την ικανότητα πρόγνωσης του αιφνίδιου καρδιακού θανάτου (ΑΚΘ).Μία συσκευή που θα μπορούσε να διαγνώσει πρώιμες καρδιακές διαταραχές που σχετίζονται με τον ΑΚΘ θα ήταν ο ηλεκτροκαρδιογράφος ή ecg συσκευή, αλλά εξαιτίας του κόστους, της πολυπλοκότητας και της δυσχρηστίας, είναι αδύνατη η χρήση της από τον ευρύ πληθυσμό αλλά ούτε και για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Τα τελευταία χρόνια αναπτύσσεται η τεχνολογία της φωτοπληθυσμογραφίας (ppg), ως μία μη επεμβατική, εύχρηστη και οικονομική μέθοδο καταγραφής της καρδιακής λειτουργίας. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την επίτευξη του στόχου μας, χωρίζεται σε τρία στάδια.Πρώτον, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα ασύρματο και οικονομικό σύστημα λήψης κι επεξεργασίας ppg βιοσημάτων. Επίσης, αναπτύχθηκαν αλγόριθμοι για τον χρονικό εντοπισμό των P κορυφών και τον υπολογισμό των διαστημάτων PP του ppg σήματος και αντίστοιχα, για το ecg σήμα, για τον υπολογισμό των RR διαστημάτων. Αυτά τα διαστήματα αποτέλεσαν τα στοιχεία της βάσης δεδομένων που δημιουργήσαμε και χρησιμοποιήθηκαν για την μετέπειτα μαθηματική επεξεργασία της θεωρίας του φυσικού χρόνου, προκειμένου να γίνει η παραπάνω αναφερθείσα πρόβλεψη. Δεύτερον, το ppg σύστημα μας δοκιμάστηκε σε υποκείμενα ασθενών που νοσηλεύονταν στην Β’ Καρδιολογική Κλινική του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου Ιωαννίνων και σε υγιή άτομα. Ταυτόχρονα έγινε καταγραφή και ecg σημάτων, ως μέθοδος ελέγχου. Τα αποτελέσματα των μέτρων πολυπλοκότητας των δύο ομάδων απέδειξαν ότι μπορούν να διαχωριστούν με επιτυχία. Ολοκληρώνοντας την διατριβή, στο τρίτο στάδιο και έχοντας περάσει χρονικό διάστημα περίπου 2 ετών από την τελευταία ppg και ecg καταγραφή, επιβεβαιώθηκαν 6 θάνατοι ασθενών, από τα στοιχεία που διατηρεί η Καρδιολογική Κλινική. Τα υποκείμενα αυτά, αν και ήταν υπό ιατρική παρακολούθηση, όπως και οι υπόλοιποι, είχαν καρδιακά νοσήματα τα οποία μπορούν να συνδεθούν με αίτια αιφνίδιου καρδιακού θανάτου. Στα ppg και ecg δεδομένα των υποκειμένων που απεβίωσαν και στους υπόλοιπους ασθενείς, υπολογίστηκαν διαφορετικά μέτρα πολυπλοκότητας του φυσικού χρόνου, τα οποία κατάφεραν να διαχωρίσουν τις δύο αυτές ομάδες. Επιβεβαιώνοντας περίτρανα την δυνατότητα του καινοτόμου ppg συστήματος μας στην πρόγνωση του ΑΚΘ.