Título de la tesis


Detección de heterogeneidades en la depolarización y repolarización cardiacas a partir del electrocardiograma como mejora en la predicción del riesgo frente a arritmias

Doctorando


Esther Pueyo

Director


Pablo Laguna

Descripción


En la presente tesis doctoral se estudian tecnicas de analisis para investigar los periodos de repolarizacion y depolarizacion del ciclo cardiaco a partir de la señal electrocardiografica (ECG).

En relacion a la repolarizacion cardiaca, diversos estudios clinicos han puesto de manifiesto la estrecha relacion que existe entre las anormalidades en este periodo y la genesis de arritmias malignas que pueden desembocar en muerte subita cardiaca. En esta tesis se realiza en primer lugar una revision de distintas aproximaciones publicadas en la literatura para estudiar la repolarizacion cardiaca y posteriormente se plantea una nueva forma de caracterizarla a traves del estudio de la relacion entre dos intervalos de la señal ECG: el intervalo QT y el intervalo RR.

Se propone un modelo para describir la relacion QT /RR en el que la serie temporal de intervalos RR se considera como señal de entrada a un sistema, la serie de intervalos QT se considera la salida del mismo y dicho sistema se asume compuesto de dos bloques. El primer bloque es un filtro FIR invariante en el tiempo, que describe la memoria del intervalo QT y permite cuantificar su histeresis, mientras que el segundo bloque es una funcion no lineal biparametrica tiempo-invariante, que responde a uno de entre diez posibles modelos de regresion representativos de un amplio espectro de los patrones QT /RR fisiologicamente plausibles, y se utiliza para describir la evolucion del intervalo QT respecto de la medida ponderada RR obtenida a la salida del primer subsistema. Considerando como objetivo la identificacion de cada uno de estos dos bloques partiendo solo del conocimiento de las señales de entrada (RR) y de salida (QT ), se analizan las caracteristicas del problema inverso planteado y se muestra la necesidad de incorporar restricciones, tanto para garantizar la unicidad de solucion como para poder extraer interpretaciones clinicas adecuadas de las estimaciones. Se estudia tambien la condicion de `ill-posed del problema y se propone su regularizacion para estabilizar la solucion. La estimacion de los parametros del sistema se lleva a cabo desde la perspectiva determinista y desde la perspectiva Bayesiana. Se revisan diferentes estimadores dentro de cada una de estas categorias y se examinan sus caracteristicas para el tipo de problemas planteados en esta tesis. Las prestaciones de los distintos estimadores utilizados se evaluan a partir de datos simulados en condiciones realistas y considerando diferentes caracteristicas de linealidad y/o aleatoriedad del sistema definido. Se estudian condiciones bajo las cuales algunos estimadores deterministas y Bayesianos proporcionan resultados coincidentes. Se dan las indicaciones acerca de como debe elegirse el estimador cuando se analicen registros reales y desee resolverse el problema de identificacion.

La metodologia propuesta se aplica con el objetivo de caracterizar la relacion QT /RR en pacientes post-infarto de miocardio, algunos tratados con el antiarritmico amiodarona y otros con placebo, a los que se les realiza un seguimiento clinico durante dos años. Para cada paciente se determina su perfil de histeresis, con el que se cuantifica la influencia que sobre el intervalo QT ejercen cada uno de los intervalos RR previos. A partir de estos perfiles se comprueba que el tiempo medio de adaptacion del intervalo QT es de aproximadamente dos minutos y medio, si bien hay gran variabilidad entre pacientes. Se proponen ademas un conjunto de marcadores de riesgo, para los que se demuestra su alta capacidad en la estratificacion del riesgo entre pacientes tratados con amiodarona. Los resultados obtenidos sugieren que la relacion QT /RR puede utilizarse para evaluar prospectivamente la eficacia del tratamiento con amiodarona.

El modelo propuesto se extiende posteriormente al caso tiempo-variante, en el que se considera que tanto la memoria del intervalo QT , representada a traves del filtro FIR, como la funcion que relaciona QT y RR pueden tener dependencia temporal. Esta funcion QT /RR se asume representada en un entorno de cada punto por un polinomio de Taylor de un cierto grado P . Con este modelo pretenden detectarse heterogeneidades en la repolarizacion ocurridas en instantes puntuales del registro. Para el problema inverso que queda planteado se analiza la incorporacion de restricciones, asi como la necesidad de regularizar el problema. Se revisan los fundamentos de la teoria de la estimacion basada en representaciones estado-espacio, tanto lineales como no lineales, y se deducen las implementaciones de algunos filtros de tipo Kalman para el tipo de problemas con los que se trata en esta tesis. Para la resolucion del problema de identificacion, se proponen tres metodologias distintas: la primera se basa en la linealizacion del problema utilizando series de Volterra para despues formular un modelo estado-espacio lineal que se resuelve con el filtro de Kalman; las otras dos metodologias tratan directamente con un modelo estado-espacio no lineal y lo resuelven utilizando el filtro de Kalman extendido y el filtro de Kalman `unscented, respectivamente. En las tres metodologias se incorpora una tecnica para la estimacion de las matrices de covarianza de la correspondiente representacion estado-espacio. Se evaluan las prestaciones de cada una de ellas mediante pruebas de simulacion realizadas considerando distintas condiciones acerca del sistema. Se dan las indicaciones para la eleccion de la metodologia mas apropiada en funcion de las caracteristicas del problema.

El analisis tiempo-variante de la relacion QT /RR se aplica al estudio de registros obtenidos de sujetos mientras estos siguen un protocolo de cambios posturales. Tras cada cambio postural se produce un cambio brusco del ritmo cardiaco al que el intervalo QT debe adaptarse. Se comprueba que el tiempo medio de respuesta es de algo mas de medio minuto cuando se trata de una aceleracion del ritmo, mientras que alcanza casi un minuto para las deceleraciones. Estos resultados sientan las bases para el analisis QT /RR dinamico en otros estudios clinicos.

Por otra parte, se analiza la depolarizacion cardiaca como herramienta para la monitorizacion de la isquemia. Se propone la cuantificacion de las pendientes y las amplitudes del complejo QRS. En estudios previos publicados en la literatura se sugiere la evaluacion de las componentes de alta frecuencia del QRS como metodo para detectar cambios isquemicos que no se manifiestan a traves de una desviacion del segmento ST. Mientras que dicha tecnica requiere del promediado de señal, la medicion de las pendientes que se propone en esta tesis supone una alternativa mas robusta, ya que puede calcularse directamente a partir del ECG. De manera mas importante, los indices propuestos muestran una sensibilidad a la isquemia mayor que la de la alta frecuencia y la de otros indices tradicionalmente empleados para el diagnostico. Los resultados se basan en datos tanto simulados como reales, obtenidos de pacientes sometidos a una operacion de angioplastia coronaria, por lo que aportan informacion clinica util.

Estado


Defendida - 2006

Calificación


Sobresaliente Cum Laude



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