Kannettavat mittausmenetelmät yhdistettynä tekoälyyn eteisvärinän havaitsemiseen (WB-AF)

Tutkimuksen tavoitteena on ratkaista seuraavat lääketieteelliset ongelmat:

1. Tutkia ranteessa käytettävien PPG-laitteiden ja yksikytkentäisen EKG-rintanauhan käyttökelpoisuutta. Erityisen mielenkiintoista on tekoälyn käyttö data-analyysissä ja sen vaikutus rytmihäiriöiden havaitsemiseen.
2. Kehitä huippuluokan PPG- ja EKG-pohjaisia ​​menetelmiä pitkän aikavälin AF-seurantaan.

Tärkeimmät tutkimuskysymykset ovat:

1. Voidaanko yksikytkentäistä EKG- ja PPG-mittausta käyttää eteisvärinän havaitsemiseen?
2. Voiko keinotekoinen älykäs (AI) rytmihäiriöanalyysi luotettavasti havaita rytmimuutokset asiakaskohtaisesta PPG- ja EKG-tallennuksesta?
3. Soveltuvatko verinäytteestä mitatut biomarkkerit äskettäin alkaneen AF-keston arvioimiseen?

Erityiset metodologiset tavoitteet ovat:

1. Kehitä ja testaa tekoälyyn perustuvia menetelmiä rytmihäiriöiden havaitsemiseen ja AF-diagnostiikkaan
2. Tekoälyä voidaan hyödyntää eteisvärinän seulonnassa ja diagnostiikassa.
3. Tutki sydämen biomarkkerien kinetiikkaa hiljattain alkaneessa AF:ssä
4. Rakenna tilastollinen malli rytmihäiriöjakson keston arvioimiseksi.

Tutkimuksen menetelmäkehityksen tarkoituksena on arvioida sykemittauksen luotettavuutta yksikytkentäisessä EKG- ja pulssiaaltomittauksessa terveillä ja sydänongelmista kärsivillä potilailla. Tutkimuksessa kehitetään kevytmittaustekniikkaan perustuvia laskentamenetelmiä yleisimmän sydämen rytmihäiriön, eteisvärinän, luotettavaksi tunnistamiseksi. Eteisvärinän diagnoosi ja hoito ovat ratkaisevia tekijöitä aivohalvauksen ehkäisyssä.

Kardiversio (CV) on hoitotoimenpide, jota käytetään palauttamaan epänormaali AF-rytmi normaaliin sinusrytmiin (SF) äskettäin alkaneessa AF:ssä. Se voidaan suorittaa sähköisellä kardioversiolla tai rytmihäiriölääkkeillä. Jos potilas ei saa oraalista antikoagulanttihoitoa (OAC), kardioversio on suoritettava 48 tunnin kuluessa rytmihäiriön alkamisesta. Nimittäin 48 tunnin kuluttua aivohalvauksen riski kasvaa huomattavasti. Jos potilaalla on ollut AF yli 48 tuntia, OAC on aloitettava ja sitä on käytettävä kolmen viikon ajan ennen kuin CV voidaan suorittaa.

Tutkimuspotilaita, joilla on äskettäin alkanut eteisvärinä (<48h) ja jotka on varattu CV:hen, rekrytoidaan tutkimukseen. Tutkimus tehdään Kuopion yliopistollisen sairaalan (KUH) päivystyspoliklinikalla. Tutkimuksen aikana asiaankuuluvat potilaaseen liittyvät tiedot. Tutkimuspotilaille on jo tehty 12-kanavainen kliininen EKG-rekisteröinti, joka sisältyy normaaliin hoitoprosessiin hiljattain alkaneen AF:n diagnosoimiseksi.

Varsinaisissa tutkimusmittauksissa Holter-EKG-laite kiinnitetään potilaan rintakehään viidellä märkäelektrodilla, jota käytetään rytmin seurannan kultaisena standardina. Kevytmittausmenetelmiä verrataan Holter-EKG-rekisteröinnin tuloksiin. Lisäksi potilaan ranteeseen asetetaan fotopletysmogrammit PPG-rekisteröintiä varten ja yksikytkentäinen kuivaelektrodi EKG-anturi potilaan rinnassa.

Lisäksi IV-kanyyli kiinnitetään ennen ja jälkeen CV:n otettuja verinäytteitä tutkimusprotokollan mukaisesti.

Tutkimuksessa verrataan näiden kevyiden mittausmenetelmien kykyä havaita sydämen rytmiä verrattuna Holter-rekisteröintiin.

Mittaukseen käytetyt laitteet ovat:

1. Faros 360 EKG-anturi märillä elektrodeilla (Mega Elektroniikka, http://www.megaemg.com/ Kuopio Suomi). Faros 360 Holter on CE- ja FDA 510(k) -hyväksytty luokan 2a lääketieteellinen laite, joka on kiinnitetty potilaan rintakehään viidellä kertakäyttöisellä märkäelektrodilla.

2. Suunto Movesense kertakäyttöinen EKG-laite (Suunto Oy, http://www.suunto.com Vantaa Suomi). Movesense on CE-hyväksytty kuluttajalaite, jota käytetään kahden kuivaelektrodin kanssa EKG-mittaukseen.

   Edellisessä tutkimuksessa (Afib24h) Valvira raportoitiin ja tutkimus sai luvan kliiniseen laitetutkimukseen (Movesense + rintahihna yhdistelmä).

3. Empatica E4 aktiivisuusranneke (Empatica Ltd http://www.empatica.com Milan Italia), joka on CE-hyväksytty kuluttajalaite. Empatica E4 on myös fotopletysmogrammi, joka mittaa optisesti verisuonessa kiertävän veren määrää.

Tutkija kiinnittää laitteita potilaaseen. Tämän jälkeen tutkija aloittaa rekisteröitymisen Faros 360 (laite 1) ja Empatica E4 (laite 3) laitteisiin.

Sykemittaus EKG-mittauksella tehdään yleisimmin QRS-kompleksien havaitsemisen avulla. Lukuisia näitä QRS-ilmaisimia on kehitetty viime vuosikymmeninä. EKG-mittaus kuivilla elektrodeilla aiheuttaa huomattavasti enemmän liikehäiriöitä kuin märkäelektrodimittauksissa, sillä laitteen pienetkin liikkeet aiheuttavat suuria muutoksia EKG-signaaliin. Lisäksi, varsinkin käytettäessä peukaloita mittauspisteinä, lihasten EMG-kohina on huomattavan korkea verrattuna märkäelektrodimittauksiin.

Tässä projektissa hyödynnetään aikaisemmissa mobiili-EKG-projekteissa kehitettyjä menetelmiä melun ja QRS:n havaitsemiseen, mikä mahdollistaa QRS-kompleksien ja sykkeen epäsäännöllisyyksien luotettavan havaitsemisen kuivaelektrodimittauksissa. Lisäksi aiemmin kehitetyt sykemittausmenetelmät arvioidaan ja validoidaan tutkimuksen eteisvärinän ja normaalin sinusrytmin mittauksilla.

Tämä tutkimus tutkii pulssin havaitsemiskykyä eteisvärinän havaitsemisessa. Fotopletysmogrammi mittaa valon absorptiota kudoksessa. Valon absorptio vereen on suurempi kuin absorptio ympäröivään kudokseen. Kun sydän lyö, kapillaarit laajenevat ja supistuvat veren tilavuuden muutosten perusteella. Fotopletysmografia mahdollistaa sykkeen mittaamisen havaitsemalla muutokset imeytymisessä.

Fotopletysmogrammi, kuten mobiili-EKG-laite, on erityisen herkkä liikkeelle, jopa pieni ledin/fotodiodin liike saa aikaan suuren muutoksen valon voimakkuudessa.

Myös fysiologiset muutokset aiheuttavat häiriötä sykemittauksessa, esimerkiksi verisuonten elastisuuden muuttuessa pulssin aika muuttuu, mikä aiheuttaa mittaushäiriön.

Toisin kuin korkeataajuinen lävistetty QRS-kompleksi, pulssiaalto on matalataajuinen ylös-alas vaihtelu, joka aiheuttaa omat haasteensa tarkalle sykkeenmittaukselle.

Eteiset eivät toimi riittävästi eteisvärinässä, joten kammiot eivät ole täysin täynnä verta. Lisäksi eteisvärinä aiheuttaa impulssien epäsäännöllistä johtumista eteisistä kammioihin, mikä johtaa pulssin epäsäännöllisyyteen. Pumpattavan veren määrä vaihtelee iskusta toiseen, mikä tekee pulssiaallon havaitsemisesta haastavaa.

Tämä projekti kehittää menetelmiä tarkan sykkeen mittaamiseen pulssiaaltosarjasta.

Menetelmäkehityksessä pyritään huomioimaan mittarin liikkeestä johtuvat häiriöt, eteisvärinälle tyypilliset pulssiaallon epäsäännöllisyydet.

Menetelmän kehittämisen päätavoitteena on määrittää pulssi niin tarkasti, että eteisvärinästä johtuva pulssin epäsäännöllisyys voidaan erottaa normaalista sinusrytmistä ja rytmin muutos voidaan havaita tarkasti.

Eteisvärinässä sähköimpulssit johtavat satunnaisesti kammioihin, jolloin syke on epäsäännöllinen ja epätasainen. Sydänyhdistyksen laaja kampanja "Tunne pulssi - ehkäise aivohalvaus" perustuu sykkeen tai pulssin tunnistukseen. Pulssintunnistus on tietysti halvin menetelmä eteisvärinän havaitsemiseksi, mutta tämä menetelmä tuottaa suuren määrän vääriä positiivisia tuloksia. EKG-mittauksella eteisvärinän havaitseminen on paljon luotettavampaa. Tätä tarkoitusta varten on kehitetty automaattisia eteisvärinän havaitsemisalgoritmeja.

Atriumaktivaation tunnistaminen pitkäaikaisissa Holter-EKG-mittauksissa on yleensä erittäin haastavaa huonon signaali-kohinasuhteen vuoksi (liike, lihas-artefaktit ja osittain päällekkäinen paljon voimakkaampi kammiotoiminta). Tästä syystä useimmat eteisvärinän havaitsemisalgoritmit perustuvat pulssin epäsäännöllisyyden tunnistamiseen. Sykkeen epäsäännöllisyyden (RR-intervallin) parametrointiin on otettu käyttöön useita suhteellisen yksinkertaisia ​​mutta luotettavia aikatason menetelmiä. Esimerkkinä RdR-pohjainen menetelmä, jossa RR-välit (syke) esitetään peräkkäisten RR-välimuutosten (sykemuutos) funktiona. RdR-kaavio määrittää epäsäännöllisistä sykemuutoksista johtuvan kuvion pirstoutumisen. Lisäksi on olemassa menetelmiä, jotka arvioivat RR-aikasarjojen sisäistä koherenssia. Sykevaihtelun parametrointiin on myös otettu käyttöön erilaisia ​​epälineaarisia menetelmiä, joiden avulla sykevaihtelun dynamiikkaa voidaan kuvata laajemmin (lineaarisuusoletuksen rajoituksetta). Yksi epälineaaristen menetelmien luokka on erilaiset entropiasuureet, jotka ovat erityisen mielenkiintoisia eteisvärinän ja epäsäännöllisen sykkeen tunnistamisessa. Entropiasuureiden avulla voidaan arvioida RR-aikasarjojen säännöllisyyttä ja ennustettavuutta. Tyypillisesti entropiasuureiden luotettava laskeminen vaatii suhteellisen pitkän mittausajan, mutta myös lyhyiden mittausten analysointiin soveltuvia entropiasuureita on otettu käyttöön.

Tämä tutkimusprojekti kehittää uusia eteisvärinän havaitsemisalgoritmeja mobiili-EKG-mittaukseen ja pulssiaaltomittaukseen jo olemassa olevien menetelmien pohjalta. Algoritmeissa on otettava huomioon eteisen ja kammion ennenaikaiset kompleksit. Näiden huomiotta jättäminen lisää RR-aikasarjojen epäsäännöllisyyttä ja lisää siten väärien positiivisten eteisvärinän määrää.

Natriureettiset peptidit ovat sydämen erittämiä hormoneja. Eteisestä natriureettista peptidiä (ANP) erittyy eteisestä ja aivonatriureettista peptidiä (BNP) eteisestä ja kammioista. Pro-BNP katkaisee BNP:n ja NT-pro-BNP:n prekursoreistaan. Molempia käytetään sydämen vajaatoiminnan diagnosoinnissa. Potilailla, joilla oli AF, ilman muita sydänsairauksia, todettiin kohonneen BNP. Erittäin herkät sydämen troponiinit T (hs-cTnT) ja I (hs-cTnI) ovat sydänspesifisiä biomarkkereita, joita sydänlihassolut erittävät ja niiden tasot korreloivat sydänlihassolujen vaurion määrää. Potilailla, joilla on jatkuva AF, on osoitettu olevan kohonneita troponiinitasoja, mikä viittaa epäspesifiseen kardiomyosyyttivaurioon. Pysyvään AF:hen ei kuitenkaan ole liitetty merkittävää näyttöä, joka osoittaisi korrelaatiota TnI-kinetiikan ja muiden AF:hen liittyvien biomarkkerien välillä. TnT-tasot näyttävät laskevan onnistuneen kardioversion jälkeen. Siksi sydämen troponiinien, erityisesti TnT:n, kinetiikka voi olla hyödyllinen AF-jakson keston ennustamisessa.

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, voidaanko peptidien avulla arvioida eteisvärinän kestoa. Tätä voidaan käyttää suunnittelemaan tulevaa eteisvärinän hoitoa.

Lisäksi tässä projektissa tarkastellaan sydämen biomarkkerien kinetiikkaa ja niiden yhteyttä AF:n kestoon.