Metodología de evaluación de algoritmos de extracción del electrocardiograma fetal a partir del electrocardiograma abdominal

Las señales adquiridas fueron procesadas y por medio de un programa desarrollado en nuestro laboratorio, nuestro experto hizo la extracción de electrocardiograma fetal para obtener las señales de referencia. El generador de señales sintéticas se tomó con base en un modelo de dipolo, al cual se le modifico el modelo de ruido, se integró un modelo de una mujer embarazada en 3D y se agregó variabilidad de la frecuencia cardiaca basándose en un banco de cardiotacogramas reales. Por medio del generador fue posible obtener señales sintéticas con diferentes valores de relación señal a ruido. Del conjunto de señales reales se obtuvieron relaciones señal a interferencia, que van desde -32.6 dB hasta -5.15 dB, así como relaciones señal a ruido desde -62.28 dB hasta -16.61 dB. Ambos parámetros se obtuvieron con la señal sin filtrar con el fin de conocer las características de la señal original, de manera que se pudieran reproducir en un intervalo más amplio con las señales sintéticas. En ese mismo banco de señales se obtuvo la relación señal a interferencia filtrada y la relación señal a ruido filtrada con el fin de tener un parámetro con el cual evaluar la respuesta del algoritmo basándonos en los índices propuestos. Utilizando las características de las señales originales se configuro el generador de señales sintéticas para simular señales de tres canales abdominales, donde se conociera exactamente el punto donde se localizan los complejos maternos y fetales. Se generaron dos conjuntos de 25 señales cada uno. En el primero se dejó fija la relación señal a ruido deseada en -25 dB y se hizo variar la relación señal a interferencia desde -3 hasta -38 dB. En el segundo se dejó fija la relación señal a interferencia deseada en -20 dB y se hizo variar la relación señal a ruido deseada desde -6 hasta -72 dB. Se hizo una comparación entre la relación señal a interferencia deseada y la relación señal a interferencia obtenida. Por su parte se compararon la relación señal a ruido deseada y la relación señal a ruido obtenida, de donde se obtuvo una igualdad entre los parámetros obtenidos de la forma: relación señal a ruido fetal = relación señal a ruido materna + relación señal a interferencia. Se evaluó la respuesta de los índices, al simular falsos positivos, falsos negativos, y la combinación de ambos en un cardiotacograma real. De esa forma se observó el comportamiento de cada índice al ir aumentando el número de errores simulados de detección. En el caso de la morfología del cardiotacograma se muestra que la correlación y el porcentaje de diferencias cuadráticas medias cambian abruptamente con pocos errores simulados, lo que significa que estos índices son muy sensibles ante algunos errores. Al evaluar el bloque de morfología del electrocardiograma fetal se muestra que aunque haya muchos errores simulados los ´índices cambian más lentamente, lo que significa que es un índice robusto ante muchos errores. Los algoritmos evaluados aplicando el método propuesto fueron análisis secuencial con cancelado promediado, análisis secuencial con cancelado ponderado y diagonalización aproximada de matrices propias. En el bloque de detecciones el primer algoritmo obtuvo una media de sensibilidad de 0.78 y 0.87 de especificidad, con el segundo algoritmo se obtuvo una media de sensibilidad de 0.73 y una especificidad de 0.88, con el ´ultimo algoritmo se obtuvo una media de sensibilidad de 0.17 y una especificidad de 0.38. En el bloque de morfología del cardiotacograma el primer algoritmo obtuvo una correlación de 0.47 y un porcentaje de diferencias cuadráticas medias de 19.16 %, el segundo algoritmo obtuvo una correlación de 0.37 y un porcentaje de diferencias cuadráticas medias de 62.42 %, con el tercer algoritmo se obtuvo una correlación de -0.008 con un porcentaje de diferencias cuadráticas medias de 50.31 %. En el tercer bloque se obtuvieron medias superiores al 0.995 de correlación y cercanas a 1 % de porcentaje de diferencias cuadráticas medias en los primeros dos algoritmos, mientras que el tercero tuvo un porcentaje de 12.1 %. Al analizar los resultados en función de las relaciones señal a interferencia se observa que por debajo de los -15 dB y por encima de los 5 dB los algoritmos de análisis secuencial tuvieron un desempeño deficiente. Mientras que en medio de ese intervalo la sensibilidad y la especificidad tuvieron valores superiores a 0.8 para señales reales y sintéticas. Al analizar los resultados en función de las relaciones señal a ruido se observa que por encima de los 7 dB los algoritmos de análisis secuencial tienen valores superiores al 0.85 de sensibilidad y especificidad. La propagación del error con los valores obtenidos es notoria al utilizar índices de evaluación como la correlación y el porcentaje de diferencias cuadráticas medias, principalmente cuando se evalúa la obtención del cardiotacograma, donde los resultados muestran diferencias por debajo de los 15 dB en la relación señal a interferencia. El método de evaluación presentado en esta tesis, propone el análisis a profundidad de los algoritmos de extracción de electrocardiograma fetal, a partir del electrocardiograma abdominal. Donde es de remarcar la importancia de analizar la obtención del cardiotacograma, por medio de índices como la correlación y el porcentaje de diferencias cuadráticas medias, en lugar de guiarse solo por la sensibilidad y la especificidad de un algoritmo. El monitoreo electrónico fetal es una herramienta utilizada en la actualidad para vigilar el estado de salud de la madre y del feto. Una de las técnicas empleadas es el electrocardiograma por su accesible adquisición y por la información que aporta. Al adquirir el electrocardiograma abdominal se obtiene la combinación de la señal de electrocardiograma materno, fetal, otras señales e interferencias. Existen distintos tipos de algoritmos de extracción de electrocardiograma fetal a partir del electrocardiograma abdominal, los cuales se basan en filtrado adaptable, separación ciega de fuentes, análisis secuencial, reconocimiento de patrones, entre otros. Sin embargo, la evaluación de cada algoritmo se ha hecho bajo diferentes señales de prueba, distintas condiciones de adquisición, número de canales y semanas de gestación. Por lo tanto, la comparación entre dichos algoritmos es complicada. En ese sentido, es necesario tener un método de evaluación que proponga algunos índices para evaluar algoritmos bajo las mismas condiciones, de manera que se pueda evaluar objetivamente el desempeño de un algoritmo de extracción de electrocardiograma fetal. El método propuesto en esta tesis contiene tres bloques para analizar el funcionamiento de un algoritmo, en el primero se comparan las detecciones realizadas por el algoritmo en cuestión contra las detecciones originales o de referencia. En el segundo bloque se comparan los cardiotacogramas originales contra los recuperados por el algoritmo en cuestión y por último se comparan los promedios de ensamble del electrocardiograma. Los índices propuestos para el primer bloque son sensibilidad y especificidad. En el segundo bloque se propuso correlación, porcentaje de diferencias cuadráticas medias, y se hizo un análisis espectral de los cardiotacogramas por medio del error cuadrático medio. En el tercer bloque se utilizaron correlación y porcentaje de diferencias cuadráticas medias. Los índices fueron analizados en función de la relación señal a ruido. El método incluye un conjunto de señales reales, y un generador de señales sintéticas para poder evaluar los algoritmos objetivamente. El banco de señales reales se obtuvo en el Centro de Investigación Materno Infantil del Grupo de Estudios al Nacimiento en pacientes del 3er trimestre de embarazo. Se adquirieron tres canales abdominales.