ES2656765B1

ES2656765B1 - Método y aparato para detectar eventos sistólicos mecánicos a partir del balistocardiograma

Info

Publication number: ES2656765B1
Application number: ES201631026A
Authority: ES
Inventors: ARENY Ramon PALLÀS; Alonso Ramon Casanella; Clapers Joan Gómez
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2019-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-27
Also published as: US20190320942A1; WO2018020064A1; CN109788914A; EP3492004A1; KR20190032302A; ES2656765A1; EP3492004A4; JP2019536488A

Description

DESCRIPCION

METODO Y APARATO PARA DETECTAR EVENTOS SISTOLICOS MECANICOS A

PARTIR DEL BALISTOCARDIOGRAMA

SECTOR DE LA TECNICA

La presente invention concierne en general a los sistemas de medicion de parametros fisiologicos por metodos flsicos y, en particular, a un metodo y aparato para detectar eventos sistolicos mecanicos a partir del balistocardiograma (BCG).

ESTADO DE LA TECNICA

La deteccion de eventos sistolicos es de gran interes para evaluar el estado de salud del corazon de forma no invasiva. Los intervalos entre eventos sistolicos aportan information sobre parametros electrodinamicos y mecanicos involucrados en la actividad sistolica, por lo que su uso como herramienta de diagnostico goza de amplio reconocimiento entre la comunidad medica. Los intervalos sistolicos (Systolic Time Intervals o STI) con mayor interes son el perlodo de pre-eyeccion (Pre-ejection Period o PEP), correspondiente al retardo entre la activation electrica de los ventrlculos y el inicio de la eyeccion de sangre a la aorta, y el tiempo de eyeccion del ventrlculo izquierdo (Left Ventricular Ejection Time o LVET), correspondiente al tiempo durante el cual la valvula aortica permanece abierta. Desde un punto de vista cllnico, una prolongacion del PEP suele ser atribuida a una reduccion en la capacidad contractil del miocardio o a una reduccion de la elasticidad vascular. De forma contraria, un acortamiento del LVET indica deterioro vascular y debilitamiento del miocardio. Por ello, el cociente PEP/LVET se usa, junto con los STI, como indicador del estado de salud del corazon, tal como se describe por ejemplo en el documento de S. S. Ahmed, G. E. Levinson, C. J. Schwartz, and P. O. Ettinger, "Systolic Time Intervals as Measures of the Contractile State of the Left Ventricular Myocardium in Man,” Circulation, DOI 10.1161/01.CIR.46.3.559.

La medida de intervalos entre eventos sistolicos y eventos vasculares tambien puede proporcionar informacion acerca del estado del sistema circulatorio, ya que la apertura de la valvula aortica se puede usar como punto proximal para medir el tiempo de transito del pulso de presion (Pulse Transit Time o PTT) hasta un punto distal. El PTT en la aorta depende de su elasticidad y es un predictor directo del riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares. La elasticidad arterial ha sido asociada a la presencia de factores de riesgo cardiovascular y enfermedades arterioescleroticas, y su capacidad para predecir el riesgo de futuros eventos cardiovasculares tales como infarto de miocardio, derrame cerebral, revascularizacion o slndromes aorticos, entre otros, ha sido ampliamente corroborada, tal como se describe en el documento de C. Vlachopoulos, K. Aznaouridis, and C. Stefanadis, “Prediction of Cardiovascular Events and All-cause Mortality With Arterial Stiffness: a Systematic Review and Meta analysis,” Journal American College Cardiology, DOI 10.1016/j.jacc.2009.10.061. Adicionalmente, el PTT sirve para estimar cambios en la presion arterial y medir valores de presion absolutos mediante distintos metodos de calibration, tal como se describe por ejemplo en el documento de D. Buxi, J. M. Redoute, and M. R. Yuce, “A Survey on Signals and Systems in Ambulatory Blood Pressure Monitoring Using Pulse Transit Time,” Physiological Measurements, DOI 10.1088/0967-3334/36/3/R1.

Los eventos sistolicos se miden de forma no invasiva en entornos cllnicos a partir del electrocardiograma (ECG), cuya onda Q marca el inicio de la activation electrica de los ventrlculos, y el ecocardiograma Doppler, que permite identificar la apertura y el cierre de la valvula aortica. Aunque el ECG se puede obtener de forma relativamente sencilla mediante electrodos superficiales, la medida de los eventos sistolicos mecanicos mediante el ecocardiografo Doppler requiere la exposition de la zona toracica y su preparation mediante un gel acuoso, ademas de un operador capacitado para manejar el aparato, lo que conlleva lentitud en la medicion e incomodidad para el sujeto.

Una alternativa para evitar el uso del ecocardiografo Doppler es detectar el cierre de la valvula aortica a partir del sonido S2 del fonocardiograma (PCG) y calcular el LVET a partir de un sensor de pulso colocado sobre la arteria carotida izquierda. El PEP se calcula entonces como como la diferencia entre S2 y el LVET, tal como se describe por ejemplo en el documento de A. M. Weissler, W. S. Harris, and C. D. Schoenfeld, “Systolic Time Intervals in Heart Failure in Man,” Circulation, DOI 10.1161/01.CIR.37.2.149. Aunque este metodo evita la exposicion y preparacion del torax, la correcta colocacion de los sensores es complicada, especialmente la colocacion del sensor de presion sobre la arteria carotida, y es causa comun de inexactitudes en la medida, por lo que este metodo se usa muy poco.

Un metodo alternativo para medir eventos sistolicos mecanicos es mediante el cardiograma de impedancia (ICG), que consiste en el registro de cambios de impedancia toracicos detectados entre dos pares de electrodos situados normalmente alrededor de la base del cuello y alrededor del pecho a la altura de la llnea xifoesternal, tal como se describe por ejemplo en el documento de L. Jensen, J. Yakimets, and K. K. Teo, "A Review of Impedance Cardiography,” Hear. Lung J. Acute Crit. Care, DOI 10.1016/S0147-9563(05)80036-6. Aunque este procedimiento para obtener el ICG es relativamente sencillo, requiere la exposition del torso del sujeto y la colocacion de electrodos adhesivos, lo que conlleva lentitud e incomodidad.

Otra alternativa para obtener information mecanica derivada de la actividad sistolica que requiere una menor preparation del sujeto es a partir de puntos fiduciales del seismocardiograma (SCG), obtenido a partir de un acelerometro colocado en el torax, tal como se detalla en el documento de O. T. Inan, P. F. Migeotte, K.-S. Park, M. Etemadi, K. Tavakolian, et al., “Ballistocardiography and Seismocardiography: a Review of Recent Advances,” IEEE Journal of Biomedical Health and Informatics, DOI 10.1109/JBHI.2014.2361732. Aunque la colocacion de acelerometros sobre el cuerpo es mas sencilla que la de los electrodos y se puede realizar sobre la ropa, la position del sensor afecta notablemente la forma y amplitud de la senal, y su orientation puede causar cruces entre ejes, lo que conlleva inexactitudes en la medida.

Una alternativa adicional para registrar informacion mecanica derivada de la actividad sistolica que no requiere la colocacion de sensores sobre el sujeto y que es menos susceptible a cruces entre ejes es a partir de puntos fiduciales del balistocardiograma (BCG), que refleja las variaciones que experimenta el centro de gravedad del cuerpo humano como resultado de la eyeccion de sangre en cada latido y la posterior propagation del pulso de presion a traves de la red arterial. El BCG se puede obtener de multiples formas, algunas de las cuales se pueden implementar con sensores incorporados en objetos de uso cotidiano, por ejemplo basculas pesa-personas, sillas, asientos o camas, tal como se detalla en el mismo documento de O. T. Inan, P. F. Migeotte, K.-S. Park, M. Etemadi, K. Tavakolian, et al. Estas soluciones permiten obtener el BCG de forma rapida y comoda, y en algun caso por perlodos de tiempo largos, por cuanto no se colocan sensores sobre el cuerpo sino que es el cuerpo el que entra en contacto de forma natural con un elemento (plataforma, bascula, silla, asiento, cama, o un accesorio usado en conjuncion con ellos, tales como una alfombrilla, funda, almohada, etc.) donde estan incorporados los sensores de BCG. Aunque las ondas I y J del BCG han sido usadas en algunos casos para detectar de forma indirecta variaciones del momento de apertura de la valvula aortica y estimar el PEP, dichas ondas son posteriores a la apertura de la valvula aortica, por lo que su uso para esa finalidad requiere una calibration que corrija su retardo. Ademas, hasta ahora ningun punto fiducial del BCG ha sido identificado como posible indicador fiel del cierre de la valvula aortica.

La detection fiel de eventos sistolicos mecanicos a partir del BCG permitirla evaluar el estado de salud del corazon de forma mas rapida y comoda incluso durante perlodos de tiempo largos, lo que serla de gran utilidad para su monitorizacion. Tambien servirla para calcular otros indicadores donde los eventos sistolicos mecanicos intervienen junto con otros parametros cardiovasculares, por ejemplo en la determination del PTT para evaluar la elasticidad arterial o la presion arterial.

BREVE DESCRIPCION DE LA INVENCION

La invention consiste en un metodo y un aparato para detectar eventos sistolicos mecanicos a partir del balistocardiograma (BCG). La solution innovadora propuesta por la presente invencion la constituye la aplicacion de una funcion de transferencia al BCG que permita compensar la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto de forma que se pueda reconstruir la senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica y detectar en dicha senal puntos fiduciales que permiten identificar los instantes de apertura y cierre de la valvula aortica. Como el BCG se obtiene habitualmente mediante sensores integrados en un unico elemento en contacto con el cuerpo del sujeto, el uso del BCG evita la incomodidad de tener que colocar varios sensores sobre su cuerpo.

Esta solucion innovadora se fundamenta en que las ondas del BCG generadas como resultado de la eyeccion de sangre a cada latido se transmiten a traves del cuerpo del sujeto, lo que hace que la senal registrada incluya el efecto de la propia respuesta mecanica del cuerpo del sujeto, que impide la observation fidedigna de eventos sistolicos mecanicos realmente acontecidos en el corazon y la ralz aortica. Para poder detectar de forma fidedigna los eventos sistolicos mecanicos se propone un metodo para reconstruir la senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica que consiste en aplicar al BCG una funcion de transferencia que compense el efecto de la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto, de modo que la funcion de transferencia global sea plana y de fase cero en el rango de frecuencias de interes, habitualmente entre 0,5 Hz y 50 Hz, y refleje as! unicamente eventos mecanicos acontecidos en el corazon y la ralz aortica.

Una respuesta mecanica del cuerpo del sujeto habitual en sistemas de BCG integrados en basculas pesa-personas equivale a un filtro paso bajo de segundo orden, cuya frecuencia de resonancia fr y coeficiente de amortiguamiento kd dependen del propio sujeto y tienen un valor promedio aproximado de 5 Hz y 0,2, respectivamente. Una posible funcion de transferencia que compense el efecto de dicha respuesta mecanica podrla ser, por ejemplo, una que constara dos ceros sobre

los polos de la respuesta mecanica, situados en (2nfrkd, ±j'2nfr
en el diagrama de ceros y polos, y dos polos en la frecuencia de corte superior fc, situados en {2nfc, 0). Para obtener los valores exactos de fr y kd que caracterizan la respuesta mecanica del cuerpo de un sujeto se pueden emplear diferentes metodos. Por ejemplo, se pueden calcular valores medios a partir de los datos biometricos del sujeto en comparacion con datos estadlsticos obtenidos de un grupo de referencia, o se puede hacer una estimation mas personalizada a partir de la senal registrada como respuesta a una maniobra realizada por el propio sujeto. De la aplicacion de dicha funcion de transferencia al BCG se obtiene una senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica donde se identifican dos grupos de ondas B1 y B2, cuyas ondas pueden ser usadas como puntos fiduciales con los que se identifica la apertura y cierre de la valvula aortica.

Aunque el metodo propuesto podrla ser implementado por un experto que reconstruyera la senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica a partir del BCG y una estimacion de la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto, y que identificara visualmente los puntos fiduciales correspondientes a eventos sistolicos mecanicos, una implementation optima es mediante un aparato que contenga los sistemas de procesado de senal necesarios para aplicar a un BCG una funcion de transferencia que compense la respuesta mecanica del cuerpo de un sujeto y localizar automaticamente puntos fiduciales en la senal obtenida, y que contenga un sistema de comunicacion que se encargue de su representation en un elemento de visualization o de la comunicacion del valor a otro dispositivo.

La invention aqul descrita tiene la ventaja principal de que permite detectar eventos sistolicos mecanicos usando solo el BCG, es decir, sin el ecocardiografo Doppler ni el PCG, lo cual facilita su detection de forma mas sencilla, rapida y comoda incluso durante perlodos de tiempo largos respecto a otros sistemas usados habitualmente.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracterlsticas de la invencion, se acompana como parte integrante de esta descripcion un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1 - Muestra un diagrama de una bascula pesa-personas capaz de obtener el BCG y que constituye el elemento con el que entra en contacto el sujeto en una de las realizaciones de la presente invencion.

Figura 2 - Muestra, de arriba abajo, un registro del ECG, el BCG obtenido con una bascula pesa-personas, la senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica y el PCG, medidos todos simultaneamente en un mismo sujeto.

Figura 3 - Muestra una traza obtenida de una bascula pesa-personas durante una maniobra para estimar la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto, de la que se puede estimar la frecuencia de resonancia y el coeficiente de amortiguamiento.

Figura 4 - Muestra un ejemplo de la respuesta mecanica del cuerpo de un sujeto, la funcion de transferencia aplicada para compensarla y la funcion de transferencia total.

MODOS DE REALIZACION DE LA INVENCION

En una realization preferente de la invention, un sistema integrado en una bascula pesa-personas (1) detecta un BCG longitudinal (a lo largo del cuerpo) indicativo de la actividad mecanica asociada a la eyeccion cardlaca, a partir de un sensor (2) formado por las propias galgas extensiometricas usadas por la bascula para medir el peso corporal y un circuito de procesado de senal analogico (3), segun se muestra en la figura 1.

A partir del BCG obtenido en la salida del sistema descrito, un sistema de procesado digital de senal (4) aplica una funcion de transferencia que compensa la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto de forma que la funcion de transferencia global es plana y con fase cero en el rango de frecuencias de interes, entre 0,5 Hz y 50 Hz, y se obtiene una senal que corresponda unicamente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica. En esta realization preferente, la respuesta mecanica del cuerpo se modela como un filtro mecanico paso bajo de segundo orden con valores fijos de frecuencia de resonancia fr = 5 Hz y coeficiente de amortiguamiento kd = 0,2, por lo que la funcion de transferencia que se aplica para compensar dicha respuesta mecanica consta de dos ceros sobre los polos del filtro paso bajo y de un polo doble a la frecuencia de corte superior fc = 50 Hz. A continuation, el sistema de procesado digital (4) detecta puntos fiduciales en la senal obtenida que permiten identificar la apertura y cierre de la valvula aortica, y que en esta realization corresponden a los inicios de los grupos de ondas B1 y B2, respectivamente. Finalmente, el modulo de comunicacion (5) se encarga de comunicar los valores medidos a traves de un monitor LCD.

En la figura 2 se muestra simultaneamente un ejemplo del ECG, el BCG y la senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica de un mismo sujeto obtenidos en esta realization, donde se identifican claramente los dos grupos de ondas generados por la apertura (B1) y el cierre (B2) de la valvula aortica, cuyos respectivos inicios son usados como puntos fiduciales para la detection de la apertura y cierre de la valvula aortica, y el PCG. En la figura se ilustra como el grupo B1 se encuentra antes de la onda I del BCG y en medio del grupo S1 del PCG, tal como corresponde a la apertura de la valvula aortica, y que el inicio del grupo B2 coincide con el inicio de la onda S2 del PCG, indicativa del cierre de la valvula aortica.

Para mejorar la exactitud en la estimation de la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto, se propone una segunda manera de determinarla en la que se obtiene mediante una maniobra realizada por el sujeto, consistente en golpear levemente la bascula pesa-personas con el talon de un pie. La figura 3 muestra un ejemplo de la senal obtenida durante esta maniobra, a partir de la cual se determina la frecuencia de resonancia fr mediante la ecuacion

donde U y t2 son las posiciones temporales de dos picos y N es el numero de ciclos que los separa, mientras que el coeficiente de amortiguamiento kd se mide a partir de la ecuacion

log(V1 — V2)

d 2nN ’

donde V1 y V2 son el valor de pico en dos ciclos.

La figura 4 muestra la respuesta en frecuencia de la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto calculada a partir de fr y kd, y la respuesta en frecuencia de la funcion de transferencia aplicada al BCG para compensarla y conseguir una funcion de transferencia total plana y de fase cero en el rango de frecuencias de interes.

Una vez descrita suficientemente la invention, asl como dos realizaciones preferentes, solo debe anadirse que es posible realizar modificaciones en su constitution, materiales empleados, en la election de los elementos y sensores empleados para detectar el BCG y en los metodos para identificar los puntos fiduciales de la senal correspondiente a la actividad mecanica acontecida en el corazon y la ralz aortica, sin apartarse del alcance de la invention, definido en las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1 - Un metodo para detectar eventos sistolicos mecanicos a partir del balistocardiograma (BCG) de un sujeto caracterizado porque:

a) se aplica al BCG del sujeto una funcion de transferencia que compensa la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto de forma que la funcion de transferencia total es plana en el ancho de banda de interes

b) se detectan eventos sistolicos mecanicos a partir de puntos fiduciales de la senal obtenida mediante el proceso anterior.

2 - El metodo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la respuesta mecanica del cuerpo humano se modela como un filtro mecanico paso bajo de segundo orden.

3 - El metodo segun la reivindicacion 2, caracterizado porque la frecuencia de resonancia se modela como un valor fijo entre 4 Hz y 8 Hz y el coeficiente de amortiguamiento se modela como un valor fijo entre 0,5 y 0,005.

4 - El metodo segun las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque los parametros de la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto se calculan a partir de sus datos biometricos en comparacion con datos estadlsticos obtenidos de un grupo de sujetos de referencia.

5 - El metodo segun las reivindicaciones 1-2, caracterizado porque los parametros de la respuesta mecanica del cuerpo del sujeto se calculan a partir de una maniobra realizada por el sujeto.

6 - El metodo segun las reivindicaciones 1-2 y 3,4 o 5, caracterizado porque se detecta la apertura de la valvula aortica a partir de puntos fiduciales de la senal obtenida.

7 - El metodo segun la reivindicacion 6, caracterizado porque se detecta la apertura de la valvula aortica en la senal obtenida a partir del inicio del grupo de ondas B1.

8 - El metodo segun las reivindicaciones 1-2 y 3,4 o 5, caracterizado porque se detecta el cierre de la valvula aortica a partir de puntos fiduciales de la senal obtenida.

9 - El metodo segun la reivindicacion 6, caracterizado porque se detecta el cierre de la valvula aortica en la senal obtenida a partir del inicio del grupo de ondas B2.

10 - Un aparato para detectar de manera automatica eventos sistolicos mecanicos a partir del balistocardiograma (BCG), que comprende:

a) un sistema de procesado de senal apto para aplicar a un BCG una funcion de transferencia que compense la respuesta mecanica del cuerpo de un sujeto de forma que la funcion de transferencia global sea plana y con fase cero en el rango de frecuencias de interes;

b) un sistema de procesado de senal apto para detectar puntos fiduciales en la senal obtenida a partir de aplicar dicha funcion de transferencia al BCG y que identifique la apertura y cierre de la valvula aortica a partir de dichos puntos fiduciales; c) un sistema de comunicacion apto para comunicar el resultado obtenido a un usuario o a otro aparato.