Kalp hızı değişkenliği analizi ve karıncıkların repolarizasyonunun incelenmesi için yeni yaklaşımlar

ÖZET KALP HIZI DEĞİŞKENLİĞİ ANALİZİ VE KARINCIKLARIN REPOLARİZASYONUNUN İNCELENMESİ İÇİN YENİ YAKLAŞIMLAR Burak Acar Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Doktora Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Hayrettin Köymen 8 Mart 2000 Bu doktora tezi iki bölümden oluşmaktadır: i) Tam otomatik Kalp Hızı Değişkenliği analiz yönteminin geliştirilmesi, ve ii) karıncık repolarizasyonu (T dalgası) analizi için yeni yöntemlerin geliştirilmesi. İlk bölüm kısa EKG kayıtlarında tam otomatik kalp hızı değişkenliği (KHD) anal izi üzerinedir. KHD analizi kısaca nabzın frekans analizi şeklinde tanımlanabilir. Kul lanılmakta olan KHD analizi sistemleri, analizin güvenilirliği için çok önemli olan ektopik kalp atımlarının ayıklanması için bir kullanıcıya ihtiyaç duyarlar. Bu durum geniş hasta gruplarında KHD analizini zorlaştırır. Bu bölümde karıncık ve kulakçıklardan kaynaklanan ektopik atımların (VE ve SVE) normal atımlardan ayırdedilmesi için tam otomatik bir algoritma sunulmaktadır. Sunulan yöntem değişik yaklaşımları birleştirmekte ve üç EKG kanalını kullanmaktadır. QRS kompleksi ve P dalgası temel morfoloji analizi için şablon eşleme (template matching)yöntemi, gereksiz işlemlerin önlenmesi ve eşik değerlerinin ayarlanması için zamanlama bilgisi (anlık nabız değeri) kullanılmaktadır. Ayrıca karıncıklardan kaynaklanan ektopik atımlarda sık görülen özel bir morfoloji de kontrol edilmektedir. Sistemimiz gerçek EKG kayıtları üzerinde denenmiş ve duyarlılık/özgüllük (sensitivity/specificity) temelinde is tatistiksel olarak analiz edilmiştir. Sistemin farklı üç EKG kanalı ve tek kanal kul- lanıldığmdaki performansı da incelenmiştir. Sistemimizin %99 özgüllüğe, %99 SVE ve %98 VE duyarlılığına ulaştığı gözlenmiş ve tam otomatik KHD analizinin uygulanabilirliği sonucuna varılmıştır. ikinci bölüm karıncık repolarizasyonu (T dalgası) analizi üzerinedir. Karıncık repo- larizasyonunun heterojenliğinin bir anormali göstergesi olduğu ve risk değerlendirmesinde kullanılabileceği geçmişte gösterilmiştir. Bu heter o j enliğin ölçülmesi için değişik yöntemler ortaya atıldıysa da, QT aralığının ölçümlerine dayananlar popülerlik kazanmıştır. Ancak bu yöntemlerin de pek çok aksayan yönleri vardır. Bu bölümde varolan yöntemlerin kısa bir eleştirisinden sonra, bunlara alternatif üç yöntem sunulmuştur: T dalgası morfolo jisinin zaman ve lokasyona göre değişkenliğinin incelenmesi ile karıncıkların depolariza- syon ve repolarizasyon dalgalarının vektörel olarak yönleri arasındaki farkın incelenmesi. Bütün yeni parametreler EKG sinyallerinden tekil değer ayrıştırılması yöntemi ile oluşturulan uzayda tanımlanmıştır. Lokasyona göre değişkenlik farklı EKG kanalları arasındaki morfoloji farkını ifade eder. Zamana göre değişkenlik EKG kanalları arasındaki ilişkinin T dalgası süresince değişmesini ifade eder. Karıncıkların depolarizasyon ve repolarizasyon dalgalarının vektörel olarak karşılaştırılması ise bu iki olayın ilerleme sekanslarının karşılaştırılmasını ifade eder. Yeni yöntemlerin hiçbiri zaman boyutunda hassas ölçümlere gerek duymadıklarından, konvansiyonel yöntemlerin hatalarından arın dırılmışlardır. Yeni ve konvansiyonel yöntemler öncelikle 1100 normal EKG üzerinde test edilmiştir. Bir hastadan arka arkaya yapılan ölçümlerde ölçülen parametrelerin tekrar edilebilirliği ise 760 normal (76 hastadan kaydedilmiştir) ve 630 anormal (63 hastadan kaydedilmiştir)EKG kaydının eski ve yeni yöntemlerle analizi yapılarak incelenmiştir. Yeni yöntemlerin normal ve anormal EKG'leri ayırdedebilme yeteneği tek ve çok değişkenli modeller kul lanılarak aynı EKG kayıtları üzerinde analiz edilmiştir. Bir grup AMI (Acute Myocar dial Infarction) hastası üzerinde yaptığımız çift kör çalışma (two-way blind study) ile yeni yöntemler ile yüksek risk grubunun ayırdedilebildiği gösterilmiştir. Konvansiyonel yöntemlerin aynı hasta grubunda benzer bir ayrım yapamadığı literatürde vardır. Yeni yöntemlerin konvansiyonel yöntemlere göre EKG'deki farklı bilgileri kullandığı (eski ve yeni yöntemler arasında bir örtüşmenin olmadığı), yeni yöntemlerin daha tekrar edilebilir olduğu, normal ve anormal EKG'leri daha iyi ayırabildiği sonucuna varılmıştır. Anahtar Sözcükler: Otomatik Kalp Hızı Değişkenliği Analizi, Ektopik Atımların Tanın ması, Whitehall II Projesi, EKG Analizi, T Dalgası Analizi, Repolarizasyon Hetero- jenliği, Uzaysal ve Zamansal Değişkenlik, Morfoloji Değişkeliği, Dalga Cephesi Yönü Özellikleri, QT Aralığı, Tekil Değer Ayrıştırması ABSTRACT NEW TECHNIQUES FOR VENTRICULAR REPOLARIZATION AND HEART RATE VARIABILITY ANALYSES Burak Acar Ph. D. in Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Hayrettin Köymen, Ph. D. March 8, 2000 This thesis is composed of two parts: i) Development of a fully automatic Heart Rate Variability (HRV) analysis method, and ii) development of new methods for ventricular repolarization (T wave) analysis. The first part of this study deals with fully automatic measurement of heart rate variability (HRV) in short term electrocardiograms. In short, HRV analysis is the spec tral analysis of the heart rate signal. Presently, all existing HRV analysis programs require user intervention for ectopic beat identification which is essential for reliable HRV analysis. This makes HRV studies in large populations problematic. A fully automatic algorithm to discriminate ventricular and supra- ventricular ectopic beats from normal beats is presented. The method incorporates several approaches and uses three ECG leads. It uses the template matching for the basic morphology check of the QRS complex and the P-wave, the timing information to avoid unnecessary computation and to adjust the thresholds and also looks for a special QRS morphology which is common in ventricular ectopic beats. The method is tested on a set of realECG recordings and statistically analyzed on the basis of sensitivity and specificity. Its performance using single ECG leads and different triplets of ECG leads is also studied. We have obtained 99% specificity and SVE sensitivity and 98% VE sensitivity and thus concluded that fully automatic HRV analysis is feasible. The second part of this thesis is on ventricular repolarization analysis (T wave anal ysis). It has been shown that heterogeneity in ventricular repolarization is a mark of abnormality and can be used for risk stratification. Several methods have been proposed to measure this heterogeneity, among which the QT interval measurements are the most popular ones. After a short discussion of the existing methods, we propose three new approaches for T wave analysis, which are aimed to overcome the drawbacks of the ex isting methods: The spatial and temporal variations in the T wave morphology and the wavefront direction difference between the ventricular depolarization and repolarization waves. All of the descriptors are defined in an ECG decomposition space constructed by Singular Value Decomposition. The spatial variation characterizes the morphology dif ferences between standard leads. The temporal variation measures the change in inter- lead relations throughout the T wave. The wavefront direction difference quantizes the difference between the progress of the two processes. None of them requires time domain measurements thus avoid the inaccuracies associated with conventional methods. The new methods are compared with the conventional ones in a set of 1100 normal ECGs. The short-term intra-subject reproducibility of the new and the conventional methods is compared in a set of 760 normal (recorded from 76 normal subjects) and 630 abnormal (recorded from 63 HCM patients) ECGs. The new descriptors' ability to discriminate normal and abnormal ECGs (both in univariate and multivariate models) is also analyzed on the same data set. A two-way blind study conducted on a set of AMI (Acute Myocardial Infarction) patients have shown that the new methods are able to discriminate the high risk group. The conventional methods were shown to be useless in It rtKSBCUCWTIM KUtVUf rafitttifitsvoN multhis patient group in a previous study. We have concluded that the new descriptors do not correlate with the conventional ones, are more reproducible, lead to more significant separation between normal and abnormal ECGs in both univariate and multivariate models. Keywords: Automatic HRV Analysis, Ectopic Beat Identification, Whitehall II Study, ECG Analysis, T Wave Analysis, Repolarization Heterogeneity, Spatial and Tempo ral Variation, Morphology Variation, Wavefront Direction Characteristics, Q T Interval, Singular Value Decomposition 153