Przenośne metody pomiarowe połączone ze sztuczną inteligencją w wykrywaniu migotania przedsionków (WB-AF)

Badania mają na celu rozwiązanie następujących problemów medycznych:

1. Zbadanie wykonalności urządzeń PPG noszonych na nadgarstku i jednoodprowadzeniowej opaski EKG na klatkę piersiową. Przedmiotem szczególnego zainteresowania będzie wykorzystanie sztucznej inteligencji w analizie danych i jej wpływ na wykrywanie arytmii.
2. Opracuj najnowocześniejsze metody oparte na PPG i EKG do długoterminowego monitorowania AF.

Główne pytania badawcze to:

1. Czy jednoodprowadzeniowy pomiar EKG i PPG może być użyty do wykrycia migotania przedsionków?
2. Czy sztuczna inteligentna (AI) analiza arytmii może niezawodnie wykrywać zmiany rytmu z ukierunkowanego na klienta zapisu PPG i EKG?
3. Czy biomarkery mierzone z próbki krwi są odpowiednie do oszacowania czasu trwania AF o niedawnym początku?

Konkretne cele metodologiczne to:

1. Opracuj i przetestuj oparte na sztucznej inteligencji metody wykrywania arytmii i diagnostyki AF
2. Sztuczna inteligencja może być wykorzystana w skriningu i diagnostyce migotania przedsionków.
3. Badanie kinetyki biomarkerów sercowych w AF o niedawnym początku
4. Skonstruować model statystyczny do szacowania czasu trwania epizodu arytmii.

Celem opracowania metody pracy jest ocena wiarygodności pomiaru częstości akcji serca w jednoodprowadzeniowym EKG i pomiarze fali tętna u osób zdrowych i pacjentów z problemami kardiologicznymi. W badaniu opracowano metody obliczeniowe oparte na lekkiej technologii pomiarowej, aby wiarygodnie zidentyfikować najczęstszą arytmię serca, migotanie przedsionków. Rozpoznanie i leczenie migotania przedsionków są decydującymi czynnikami w zapobieganiu udarom mózgu.

Kardiowersja (CV) to procedura terapeutyczna stosowana w celu przywrócenia nieprawidłowego rytmu AF do normalnego rytmu zatokowego (SF) w AF o niedawnym początku. Można go wykonać za pomocą kardiowersji elektrycznej lub leków antyarytmicznych. Jeśli pacjent nie jest leczony doustnymi lekami przeciwzakrzepowymi (OAC), kardiowersję należy wykonać w ciągu 48 godzin od wystąpienia arytmii. Mianowicie, po 48 godzinach ryzyko udaru znacznie wzrasta. Jeśli pacjent ma AF dłużej niż 48 godzin, należy rozpocząć OAC i stosować go przez trzy tygodnie przed wykonaniem CV.

Pacjenci badani z nowo rozpoznanym migotaniem przedsionków (<48 godzin) i zakwalifikowani do CV będą rekrutowani w ramach badania. Badanie odbędzie się na oddziale ratunkowym Szpitala Uniwersyteckiego w Kuopio (KUH). Podczas badania istotne informacje dotyczące pacjenta. Pacjenci biorący udział w badaniach przeszli już 12-kanałową rejestrację klinicznego EKG w ramach normalnego procesu leczenia w celu zdiagnozowania AF o niedawnym początku.

W rzeczywistych pomiarach badawczych urządzenie Holter-EKG jest przymocowane do klatki piersiowej pacjenta za pomocą pięciu mokrych elektrod, które mają służyć jako złoty standard monitorowania rytmu. Lekkie metody pomiarowe są porównywane z wynikiem rejestracji Holter-EKG. Dodatkowo na nadgarstku pacjenta umieszczane są fotopletyzmogramy do rejestracji PPG oraz jednoodprowadzeniowy czujnik EKG z suchą elektrodą klatki piersiowej pacjenta.

Ponadto kaniula IV zostanie podłączona do próbek krwi pobranych przed i po CV zgodnie z protokołem badania.

Badanie porównuje zdolność tych lekkich metod pomiarowych do wykrywania rytmu serca z rejestracją Holtera.

Urządzeniami używanymi do pomiaru są:

1. Czujnik Faros 360 EKG z mokrymi elektrodami (Mega Elektroniikka, http://www.megaemg.com/ Kuopio Suomi). Faros 360 Holter jest wyrobem medycznym klasy 2a dopuszczonym przez CE i FDA 510(k), który jest przymocowany do klatki piersiowej pacjenta za pomocą pięciu mokrych elektrod jednorazowego użytku.

2. Jednorazowe urządzenie EKG Suunto Movesense (Suunto Oy, http://www.suunto.com Vantaa Suomi). Movesense to konsumenckie urządzenie z certyfikatem CE, które jest używane z dwiema suchymi elektrodami do pomiaru EKG.

   W poprzednim badaniu (Afib24h) zgłoszono Valvira, a badanie otrzymało pozwolenie na badanie kliniczne urządzenia (kombinacja Movesense + pas piersiowy).

3. Bransoletka aktywności Empatica E4 (Empatica Ltd http://www.empatica.com Milan Italia), które jest urządzeniem konsumenckim z certyfikatem CE. Empatica E4 to także fotopletyzmogram, który optycznie mierzy ilość krwi krążącej w naczyniu krwionośnym.

Badacz mocuje urządzenia do pacjenta. Następnie badacz rozpoczyna rejestrację na urządzeniach Faros 360 (urządzenie 1) i Empatica E4 (urządzenie 3).

Wykrywanie częstości akcji serca za pomocą pomiaru EKG jest najczęściej wykonywane przez wykrywanie zespołów QRS. Wiele z tych detektorów QRS zostało opracowanych w ostatnich dziesięcioleciach. Pomiar EKG suchymi elektrodami wiąże się ze znacznie większymi zakłóceniami ruchowymi w porównaniu z pomiarami mokrymi elektrodami, ponieważ nawet niewielkie ruchy urządzenia powodują duże zmiany w sygnale EKG. Ponadto, szczególnie w przypadku używania kciuków jako punktów pomiarowych, szum EMG mięśni jest wyjątkowo wysoki w porównaniu z pomiarami mokrych elektrod.

Ten projekt wykorzystuje metody opracowane we wcześniejszych projektach mobilnego EKG do wykrywania szumów i zespołów QRS, aby umożliwić niezawodne wykrywanie zespołów QRS i nieregularności rytmu serca w pomiarach suchą elektrodą. Ponadto opracowane wcześniej metody wykrywania tętna są oceniane i weryfikowane na podstawie pomiarów migotania przedsionków i prawidłowego rytmu zatokowego.

W pracy zbadano możliwości detekcji tętna w wykrywaniu migotania przedsionków. Fotopletyzmogram mierzy absorpcję światła w tkance. Absorpcja światła do krwi jest większa niż absorpcja do otaczających tkanek. Kiedy serce bije, naczynia włosowate rozszerzają się i kurczą w zależności od zmian objętości krwi. Fotopletyzmografia umożliwia pomiar tętna poprzez wykrywanie zmian w absorpcji.

Fotopletyzmogram, podobnie jak mobilne urządzenie EKG, jest szczególnie wrażliwy na ruch, nawet niewielki ruch diody/fotodiody wywołuje znaczną zmianę natężenia światła.

Również zmiany fizjologiczne powodują zakłócenia w pomiarze częstości akcji serca, na przykład gdy zmienia się elastyczność naczyń, zmienia się czas tętna, co powoduje zakłócenie pomiaru.

W przeciwieństwie do zespołu QRS przebitego o wysokiej częstotliwości, fala tętna jest wahaniem w górę iw dół o niskiej częstotliwości, co stwarza własne wyzwania dla dokładnego pomiaru tętna.

Przedsionki pracują niedostatecznie w migotaniu przedsionków, dlatego komory nie są całkowicie wypełnione krwią. Ponadto migotanie przedsionków powoduje nieregularne przewodzenie impulsów z przedsionków do komór, co prowadzi do nieregularności tętna. Ilość pompowanej krwi różni się w zależności od jednego udaru, co utrudnia wykrywanie fali tętna.

W ramach tego projektu opracowano metody dokładnego pomiaru tętna na podstawie serii fali tętna.

Rozwój metody ma na celu uwzględnienie zaburzeń związanych z ruchem miernika, nieregularności fali tętna charakterystycznej dla migotania przedsionków.

Głównym celem opracowania metody jest określenie tętna na tyle precyzyjnie, aby nieregularność tętna spowodowana migotaniem przedsionków można było odróżnić od prawidłowego rytmu zatokowego, a zmianę rytmu można było dokładnie wykryć.

W migotaniu przedsionków impulsy elektryczne przewodzą się losowo do komór, powodując nieregularne i nierówne tętno. Duża kampania Stowarzyszenia Kardiologicznego „Poczuj swój puls – zapobiegaj udarowi” opiera się na rozpoznawaniu tętna lub tętna. Rozpoznawanie tętna jest oczywiście najtańszą metodą wykrywania migotania przedsionków, ale ta metoda generuje dużą liczbę fałszywych alarmów. Dzięki pomiarowi EKG wykrycie migotania przedsionków jest znacznie bardziej niezawodne. W tym celu opracowano zautomatyzowane algorytmy wykrywania migotania przedsionków.

Identyfikacja aktywacji przedsionków w długoterminowych pomiarach Holter-EKG jest na ogół bardzo trudna ze względu na słaby stosunek sygnału do szumu (ruch, artefakty mięśniowe i częściowo nakładanie się znacznie silniejszej aktywności komorowej). Z tego powodu większość algorytmów wykrywania migotania przedsionków opiera się na identyfikacji nieregularności tętna. Do parametryzacji nieregularności rytmu serca (RR-interval) wprowadzono kilka stosunkowo prostych, ale niezawodnych metod na poziomie czasu. Jako przykład, sposób oparty na RdR, w którym odstępy RR (tętno) są reprezentowane jako funkcja kolejnych zmian odstępów RR (zmiana częstości akcji serca). Wykres RdR określa fragmentację wzorca wynikającą z nieregularnych zmian rytmu serca. Ponadto istnieją metody szacujące spójność wewnętrzną szeregów czasowych RR. Wprowadzono również różne metody nieliniowe do parametryzacji zmienności rytmu serca, umożliwiające szerszy opis dynamiki zmienności rytmu serca (bez ograniczania założenia o liniowości). Jedną z klas metod nieliniowych są różne wielkości entropijne, które są szczególnie interesujące w przypadku identyfikacji migotania przedsionków i nieregularnego rytmu serca. Wielkości entropii można wykorzystać do oszacowania regularności i przewidywalności szeregów czasowych RR. Zazwyczaj wiarygodne obliczenie wielkości entropii wymaga stosunkowo długiego czasu pomiaru, ale wprowadzono również wielkości entropijne, które są odpowiednie do analizy krótkich pomiarów.

W ramach tego projektu badawczego opracowano nowe algorytmy detekcji migotania przedsionków do pomiaru mobilnego EKG oraz pomiaru fali tętna w oparciu o już istniejące metody. Algorytmy muszą uwzględniać przedwczesne zespoły przedsionkowe i komorowe. Ignorowanie ich zwiększa nieregularność szeregów czasowych RR, a tym samym zwiększa liczbę fałszywie dodatnich migotań przedsionków.

Peptydy natriuretyczne to hormony wydzielane przez serce. Przedsionkowy peptyd natriuretyczny (ANP) jest wydzielany z przedsionków, a mózgowo-natriuretyczny peptyd (BNP) z przedsionków i komór. BNP i NT-pro-BNP są odcinane od swojego prekursora przez pro-BNP. Oba są stosowane w diagnostyce niewydolności serca. Stwierdzono, że pacjenci z AF, bez innych chorób serca, mają podwyższone BNP. Troponiny sercowe T (hs-cTnT) i I (hs-cTnI) o wysokiej czułości są biomarkerami specyficznymi dla serca, wydzielanymi przez komórki mięśnia sercowego, a ich poziomy korelują ze stopniem uszkodzenia kardiomiocytów. Wykazano, że pacjenci z przetrwałym AF mają podwyższone poziomy troponin, co wskazuje na niespecyficzne uszkodzenie kardiomiocytów. Jednak żadne istotne dowody wskazujące na korelację między kinetyką TnI a innymi biomarkerami związanymi z AF nie zostały powiązane z przetrwałym AF. Poziomy TnT wydają się spadać po udanej kardiowersji. Dlatego kinetyka troponin sercowych, zwłaszcza TnT, może być przydatna do przewidywania czasu trwania epizodu AF.

Badanie ma na celu ustalenie, czy peptydy można wykorzystać do oceny czasu trwania migotania przedsionków. Można to wykorzystać do planowania przyszłego leczenia migotania przedsionków.

Ponadto projekt ten bada kinetykę biomarkerów sercowych i ich związek z czasem trwania AF.