Bärbara mätmetoder kombinerade med artificiell intelligens vid upptäckt av förmaksflimmer (WB-AF)

Forskningen syftar till att lösa följande medicinska problem:

1. Att studera genomförbarheten av handledsburna PPG-enheter och enavlednings-EKG-bröstband. Särskilt intresse kommer att vara användningen av AI i dataanalys och dess inverkan på arytmidetektion.
2. Utveckla toppmoderna PPG- och EKG-baserade metoder för långvarig AF-övervakning.

De viktigaste forskningsfrågorna är:

1. Kan en enkelavlednings-EKG och PPG-mätning användas för att upptäcka förmaksflimmer?
2. Kan artificiell intelligent (AI) arytmianalys tillförlitlig detektera rytmförändringar från kundinriktad PPG- och EKG-inspelning?
3. Är biomarkörer mätta från blodprov lämpliga för uppskattning av nyligen debuterad AF-varaktighet?

Specifika metodiska mål är:

1. Utveckla och testa AI-baserade metoder för arytmidetektion och AF-diagnostik
2. AI kan användas vid screening och diagnostik av förmaksflimmer.
3. Studera kinetiken för hjärtbiomarkörer i nyligen debuterad AF
4. Konstruera statistisk modell för uppskattning av varaktigheten av arytmiepisoden.

Syftet med studiens metodutveckling är att utvärdera tillförlitligheten av hjärtfrekvensmätning vid enkelavlednings-EKG och pulsvågsmätning med friska och patienter med hjärtproblem. Studien utvecklar beräkningsmetoder baserade på lättviktsmätteknik för att på ett tillförlitligt sätt identifiera den vanligaste hjärtarytmin, förmaksflimmer. Diagnos och behandling av förmaksflimmer är avgörande faktorer för att förebygga stroke.

Cardioversion (CV) är en behandlingsprocedur som används för att återställa en onormal AF-rytm till en normal sinusrytm (SF) i nyligen debuterad AF. Det kan utföras med elektrisk elkonvertering eller med antiarytmika. Om patienten inte behandlas med oral antikoagulantia (OAC) måste elkonvertering utföras inom 48 timmar efter att arytmin har börjat. Efter 48 timmar ökar nämligen risken för stroke avsevärt. Om patienten har haft AF i mer än 48 timmar måste OAC startas och användas i tre veckor innan CV kan utföras.

Forskningspatienter med nyuppstått förmaksflimmer (<48h) och schemalagda för CV kommer att rekryteras inom forskningen. Studien kommer att ske på akutmottagningen vid Kuopio Universitetssjukhus (KUH). Under studien relevant patientrelaterad information. Forskningspatienter har redan genomgått en 12-kanals klinisk EKG-registrering som ingår i den normala behandlingsprocessen för att diagnostisera nyligen debuterad AF.

I faktiska studiemätningar fästs en Holter-EKG-enhet på patientens bröst med hjälp av fem våta elektroder för att användas som gyllene standard för rytmövervakning. De lätta mätmetoderna jämförs med resultatet av Holter-EKG-registreringen. Dessutom placeras fotopletysmogram på patientens handled för PPG-registrering och en enkelavlednings EKG-sensor för torr elektrod på patientens bröst.

Dessutom kommer IV-kanylen att fästas för blodprover som tagits före och efter CV enligt studieprotokollet.

Studien jämför förmågan hos dessa lätta mätmetoder att upptäcka hjärtrytmer jämfört med Holter-registreringen.

De enheter som används för mätningen är:

1. Faros 360 EKG-sensor med våta elektroder (Mega Elektroniikka, http://www.megaemg.com/ Kuopio Suomi). Faros 360 Holter är CE och FDA 510(k) godkänd medicinsk utrustning i klass 2a, som fästs på patientens bröstkorg med fem våta engångselektroder.

2. Suunto Movesense engångs-EKG-enhet (Suunto Oy, http://www.suunto.com Vanda Suomi). Movesense är CE-godkänd konsumentenhet, som används med två torra elektroder till EKG-mätningen.

   I den tidigare studien (Afib24h) rapporterades Valvira och forskningen fick tillstånd för den kliniska apparatstudien (Movesense + bröstbandskombination).

3. Empatica E4 aktivitetsarmband (Empatica Ltd http://www.empatica.com Milan Italia), som är CE-godkänd konsumentenhet. Empatica E4 är också ett fotopletysmogram, som mäter optiskt mängden blod som cirkulerar i blodkärlet.

Forskaren fäster apparater på patienten. Därefter startar forskaren registreringen med Faros 360 (enhet 1) och Empatica E4 (enhet 3) enheter.

Hjärtfrekvensdetektering genom EKG-mätning görs oftast genom detektering av QRS-komplex. Många av dessa QRS-detektorer har utvecklats under de senaste decennierna. EKG-mätning med torra elektroder innebär avsevärt fler rörelsestörningar, jämfört med våtelektrodmätningarna, eftersom även enhetens små rörelser inducerar stora förändringar av EKG-signalen. Dessutom, speciellt när man använder tummar som mätpunkter, är EMG-bruset från musklerna anmärkningsvärt högt jämfört med våtelektrodmätningarna.

Detta projekt använder de metoder som utvecklats i de tidigare mobil-EKG-projekten för brus- och QRS-detektering för att möjliggöra tillförlitlig detektering av QRS-komplex och hjärtfrekvensoregelbundenheter i torrelektrodmätningarna. Dessutom utvärderas och valideras de tidigare utvecklade hjärtfrekvensdetekteringsmetoderna av studiens mätningar av förmaksflimmer och normal sinusrytm.

Denna studie undersöker förmågan till pulsdetektering vid detektion av förmaksflimmer. Fotopletysmogrammet mäter absorptionen av ljus i vävnaden. Absorptionen av ljus i blodet är större än absorptionen i den omgivande vävnaden. När hjärtat slår expanderar kapillärerna och drar ihop sig baserat på förändringar i blodvolymen. Fotopletysmografi tillåter hjärtfrekvensmätning genom att upptäcka förändringar i absorptionen.

Fotopletysmogram, som en mobil-EKG-enhet, är särskilt känslig för rörelse, även den lilla rörelsen av LED/fotodiod inducerar stora förändringar i ljusintensitet.

Dessutom orsakar fysiologiska förändringar en störning i hjärtfrekvensmätningen, till exempel när den vaskulära elasticiteten ändras ändras pulstiden, vilket resulterar i en störning i mätningen.

Till skillnad från det högfrekventa genomborrade QRS-komplexet är pulsvågen en lågfrekvent upp-ned-variation, vilket orsakar sina egna utmaningar för exakt pulsmätning.

Förmaken fungerar otillräckligt vid förmaksflimmer, därför är ventriklarna inte helt fyllda med blod. Dessutom orsakar förmaksflimmer oregelbunden ledning av impulser från förmak till ventriklarna, vilket leder till oregelbunden puls. Mängden blod som pumpas varierar från ett slag till slag, vilket gör pulsvågsdetekteringen utmanande.

Detta projekt utvecklar metoder för noggrann hjärtfrekvensmätning från en pulsvågsserie.

Metodutvecklingen syftar till att ta hänsyn till störningar på grund av mätarens rörelse, pulsvågoregelbundenheter typiska för förmaksflimmer.

Huvudmålet med metodutvecklingen är att bestämma pulsen så exakt att pulsoregelbundenhet på grund av förmaksflimmer kan särskiljas från normal sinusrytm och rytmförändringen kan detekteras med noggrant sätt.

Vid förmaksflimmer leder elektriska impulser slumpmässigt till ventriklarna, vilket gör att hjärtfrekvensen blir oregelbunden och ojämn. En stor kampanj av Hjärtförbundet "Känn din puls - förebygg stroke" bygger på puls- eller pulsigenkänning. Pulsigenkänning är naturligtvis den billigaste metoden för att upptäcka förmaksflimmer, men denna metod ger ett stort antal falska positiva resultat. Genom EKG-mätning är detektionen av förmaksflimmer mycket mer tillförlitlig. Automatiserade förmaksflimmerdetekteringsalgoritmer har utvecklats för detta ändamål.

Identifiering av förmaksaktiveringen i långvariga Holter-EKG-mätningar är generellt sett mycket utmanande på grund av det dåliga signal-brusförhållandet (rörelse, muskelartefakter och delvis överlappande mycket starkare ventrikulär aktivitet). Av denna anledning är de flesta förmaksflimmerdetekteringsalgoritmer baserade på identifiering av pulsoregelbundenhet. För parametrisering av hjärtfrekvensens oregelbundenhet (RR-intervall) har flera relativt enkla men pålitliga tidsnivåmetoder införts. Som ett exempel, En RdR-baserad metod där RR-intervallen (hjärtfrekvens) representeras som en funktion av på varandra följande RR-intervallförändringar (hjärtfrekvensförändring). RdR-grafen definierar fragmenteringen av mönstret till följd av oregelbundna hjärtfrekvensförändringar. Dessutom finns det metoder som uppskattar RR-tidsseriernas interna koherens. Olika olinjära metoder har också introducerats för parametrisering av hjärtfrekvensvariationen, vilket gör det möjligt att beskriva dynamiken i hjärtfrekvensvariationen mer allmänt (utan begränsning av linearitetsantagandet). En klass av icke-linjära metoder är olika entropikvantiteter, dessa är särskilt intressanta för identifiering av förmaksflimmer och oregelbunden hjärtfrekvens. Entropikvantiteter kan användas för att uppskatta regelbundenhet och förutsägbarhet för RR-tidsserien. Typiskt kräver den tillförlitliga beräkningen av entropistorheterna en relativt lång mättid, men även entropistorheter som är lämpliga för analys av korta mätningar har införts.

Detta forskningsprojekt utvecklar nya förmaksflimmerdetektionsalgoritmer för mobil-EKG-mätning och pulsvågsmätning på basis av redan befintliga metoder. Algoritmer måste ta hänsyn till atriella och ventrikulära prematura komplex. Att ignorera dessa ökar oregelbundenheten i RR-tidsserien och ökar därmed antalet falskt positiva förmaksflimmer.

Natriuretiska peptider är hormoner som utsöndras av hjärtat. Förmaksnatriuretisk peptid (ANP) utsöndras från förmak och hjärn-natriuretisk peptid (BNP) från förmak och ventriklar. BNP och NT-pro-BNP klyvs från sin prekursor av pro-BNP. Båda används vid diagnos av hjärtsvikt. Patienter med AF, utan annan hjärtsjukdom, visade sig ha förhöjt BNP. Högkänsliga hjärttroponiner T (hs-cTnT) och I (hs-cTnI) är hjärtspecifika biomarkörer som utsöndras av myokardceller och deras nivåer korrelerar mängden kardiomyocytskada. Patienter med ihållande AF har visat sig ha förhöjda troponinnivåer, vilket tyder på ospecifik kardiomyocytskada. Emellertid har inga signifikanta bevis som indikerar korrelation mellan TnI-kinetik och andra AF-relaterade biomarkörer associerats med ihållande AF. Nivåerna av TnT verkar minska efter den framgångsrika elkonverteringen. Därför kan kinetiken för hjärttroponiner, särskilt TnT, vara användbar för att förutsäga varaktigheten av AF-episoden.

Studien syftar till att avgöra om peptider kan användas för att bedöma varaktigheten av förmaksflimmer. Detta kan användas för att planera framtida behandling för förmaksflimmer.

Dessutom undersöker detta projekt kinetiken för hjärtbiomarkörer och deras samband med varaktigheten av AF.