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Aplicación para la detección temprana de arritmias basado en los algoritmos de Pan & Tompkins, Elgendi y Boonperm

Las arritmias son anomalías en el correcto funcionamiento del sistema eléctrico del corazón. Las cuatro cámaras del corazón por lo general laten con un patrón estable y rítmico. La presencia de arritmias es peligrosa para quien las padece y de no ser tratadas a tiempo pueden devenir en enfermedades cardiovasculares que traerán consecuencias fatales y podrían producir la muerte. Para detectar arritmias cardiacas en forma temprana se suelen utilizar monitores de funciones vitales que son costosos, no son portables y cuyo software no es abierto. Ante este contexto se propone una aplicación para la detección de las arritmias: Bradicardia Sinusal, Taquicardia Ventricular, Fibrilación Auricular, Flutter Auricular y Aleteo Auricular, a partir de los algoritmos Pan y Tompkins, Elgendi y Boonperm cuyo código podría ser instalado en dispositivos móviles (Android y iOS) para que los monitores de funciones vitales no sean la única opción para poder detectar dichas arritmias. El algoritmo ensamblado ha sido probado con la base de datos de arritmias del MIT-BIH, primer conjunto de datos de prueba estándar disponible para el ámbito académico. Se analizaron los 48 registros de dicha base de datos y se obtuvo 37.22% de sensibilidad y 65.09% de predictividad en la detección de arritmias, a pesar de los valores obtenidos en la detección de los complejos QRS se obtuvo 99.02 sensibilidad y 99.11% predictividad, lo cual indica que el algoritmo híbrido es confiable solo para la detección de complejos QRS.

Figura en la que se compara un electrocardiograma de un corazón sano y un electrocardiograma de una Fibrilación Auricular.

Metodología

Para la presente investigación para la validación de la efectividad de la aplicación de detección de arritmias se implementará 3 algoritmos. Para la detección del complejo QRS se hace uso del algoritmo Pan Tompkins para detectar el complejo QRS y para las ondas P propuesta por Elgendi y para hallar las arritmias se utilizó las reglas de decisión de Parayikorn. La base de datos utilizada es la MIT-BIH Arrythmia Database del portal Physionet, la cual contiene 48 registros, cada registro digitalizado con 360 muestras/segundo y cada registro con 650000 muestras con registros de electrocardiogramas de diversas arritmias cada registro de 47 sujetos estudiados en el BIH Arrhythmia Laboratory entre 1975 y 1979. (Moody G.B & Mark R.G, 2001, p. 45-47)

Para descargarse los registros tiene que acceder a la siguiente url: https://archive.physionet.org/cgi-bin/atm/ATM tienes que seleccionar MIT-BIH Arrhythmia Database (mitdb) y en signals seleccionar MLII, en caso de los registros 102 y 104m seleccionar el registro V5 y descargarlos en formato .mat en toolbox seleccionar "Export signals as .mat" en la duración ponerle "to end" y en time format "time/date". Los registros descargdos ya estan en la carpeta registro de este repositorio en formato .mat.

1. Pan & Tompkins, 1985 desarrollaron un algoritmo en tiempo real para la detección de complejos QRS en señales electrocardiográficas, el cual es capaz de detectar el complejo QRS basado en la pendiente, amplitud y ancho. Un filtro pasabanda especial reduce falsas detecciones causadas por varios tipos de ruido presentes en la señal ECG lo cual permite el uso de umbrales lo que aumenta la sensibilidad de detección. El algoritmo ajusta automáticamente los umbrales y los parámetros periódicamente para adaptarse a los cambios de electrocardiograma como la morfología QRS y la frecuencia cardíaca” (Pan Tompkins, 1985, p. 230). Para el estándar de la base de datos de arritmias del MIT-BIH 24 horas, se replicó el algoritmo Pan-Tompkins en MATLAB detectando correctamente el 96,32% de los complejos QRS mientras que en el artículo original dice un 99.3% por lo tanto el valor obtenido oscila con el original.

Tabla de resultados Pan Tompkins

Registro Mit	Numero de latidos	VP	FP	FN	Sensibilidad	Predictividad
100m	2273	2273	0	0	100.00	100.00
101m	1863	1862	6	1	99.95	99.68
102m	2187	2053	134	134	93.87	93.87
103m	2084	2083	0	1	99.95	100.00
104m	2229	2186	47	43	98.07	97.90
105m	2572	2558	53	14	99.46	97.97
106m	2027	2023	1	4	99.80	99.95
107m	2137	2111	6	26	98.78	99.72
108m	1763	1743	323	20	98.87	84.37
109m	2532	2526	1	6	99.76	99.96
111m	2124	2108	3	16	99.25	99.86
112m	2539	2539	0	0	100.00	100.00
113m	1795	1795	0	0	100.00	100.00
114m	1879	1877	1	2	99.89	99.95
115m	1953	1953	0	0	100.00	100.00
116m	2412	2388	4	24	99.00	99.83
117m	1535	1535	0	0	100.00	100.00
118m	2278	2278	1	0	100.00	99.96
119m	1987	1987	1	0	100.00	99.95
121m	1863	1861	0	2	99.89	100.00
122m	2476	2476	0	0	100.00	100.00
123m	1518	1515	0	3	99.80	100.00
124m	1619	1606	2	13	99.20	99.88
200m	2601	2595	7	6	99.77	99.73
201m	1963	1895	0	68	96.54	100.00
202m	2136	2126	0	10	99.53	100.00
203m	2976	2871	47	105	96.47	98.39
205m	2656	2651	2	5	99.81	99.92
207m	2332	1970	205	362	84.48	90.57
208m	2953	2907	6	46	98.44	99.79
209m	3005	3005	0	0	100.00	100.00
210m	2649	2591	23	58	97.81	99.12
212m	2748	2748	0	0	100.00	100.00
213m	3251	3218	31	33	98.98	99.05
214m	2262	2254	5	8	99.65	99.78
215m	3363	3359	0	4	99.88	100.00
217m	2208	2204	2	4	99.82	99.91
219m	2154	2154	0	0	100.00	100.00
220m	2048	2048	0	0	100.00	100.00
221m	2427	2423	0	4	99.84	100.00
222m	2483	2458	25	25	98.99	98.99
223m	2605	2593	0	12	99.54	100.00
228m	2053	2047	12	6	99.71	99.42
230m	2256	2256	0	0	100.00	100.00
231m	1571	1571	0	0	100.00	100.00
232m	1780	1780	2	0	100.00	99.89
233m	3079	3076	0	3	99.90	100.00
234m	2753	2750	0	3	99.89	100.00
48 registros	109957	108886	950	1071	99.03	99.14

2. Elgendi, 2016 propuso un método basado en dos filtros de promedio móvil seguido de un umbral de duración de evento dinámico para detectar ondas P y T en señales electrocardiográficas. La detección de las ondas P y T es afectada por la calidad de las grabaciones de electrocardiogramas y las anormalidades de las señales electrocardiográficas. Dicho método detecta ondas P y T en señales electrocardiográficas de arritmias que sufren: 1) efectos no estacionarios, 2) baja relación señal / ruido, 3) Complejo auricular prematuro, 5) Bloques de rama izquierda y 6) Bloques de rama derecha. Cabe destacar que el detector de ondas P y T obtuvo una sensibilidad del 98.05 por ciento y una predictividad positiva del 97.11 por ciento para las ondas P sobre 10 registros de la base de datos de arritmia MIT-BIH con 21702 latidos

Tabla de resultados Elgendi

Registro Mit	Ondas P	VP	FP	FN	Sensibilidad	Predictividad
100m	2257	2255	18	2	99.91	99.21
101m	1865	1849	12	16	99.14	99.36
103m	2084	2051	21	33	98.42	98.99
106m	1507	1467	541	40	97.35	73.06
117m	1534	1532	1	2	99.87	99.93
119m	1620	1616	449	4	99.75	78.26
122m	2475	2475	1	0	100.00	99.96
207m	1415	842	1099	573	59.51	43.38
214m	2001	1945	213	56	97.20	90.13
222m	1257	1136	1220	121	90.37	48.22
223m	2099	2062	526	37	98.24	79.68
231m	1994	1567	3	427	78.59	99.81
12 registros	22108	20797	4104	1311	94.07	83.52

3. Boonperm, 2014 et al. propone un programa con interfaz gráfica que detecta arritmias usando MATLAB con los parámetros de el complejo QRS, la onda P, intervalo RR, el intervalo PR, y el ritmo del ECG usando la base de datos de arritmias del MIT.

Cinco características para clasificar arritmias.

Arritmia	Ritmo	Ritmo cardiaco	Onda P	Intervalo PR	Complejo QRS
Ritmo sinusal normal	Regular	55-100 lpm	1	120-200 ms	< 125 ms
Bradicardia sinusal	Regular	< 55 lpm	1	120-200ms	< 125 ms
Fibrilación auricular	Irregular	cualquiera	>=1	No	< 125 ms
Aleteo auricular	Regular	cualquiera	>=1	No	< 125 ms
Taquicardia ventricular	Regular	>75 lpm	No	No	> 125 ms
Flutter ventricular	Irregular	>120 lpm	No	No	> 125 ms

Tabla de resultados Arritmias

Registro	Arritmia	Numero de latidos	VP	FP	FN	Sensibilidad	Predictividad
100m	Ritmo Sinusal Normal	2273	1571	0	702	69.12	100.00
101m	Ritmo Sinusal Normal	1863	1790	0	73	96.08	100.00
102m	Ritmo Sinusal Normal	102	66	75	36	64.71	46.81
102m	Otra Arritmia	2085	1140	49	945	54.68	95.88
103m	Ritmo Sinusal Normal	2084	1532	0	552	73.51	100.00
104m	Ritmo Sinusal Normal	289	52	92	237	17.99	36.11
104m	Otra Arritmia	1940	655	145	1285	33.76	81.88
105m	Ritmo Sinusal Normal	2572	305	1	2267	11.86	99.67
106m	Ritmo Sinusal Normal	1483	741	1	742	49.97	99.87
106m	Taquicardia ventricular	3	0	5	3	0.00	0.00
106m	Otra Arritmia	541	297	318	244	54.90	48.29
107m	Otra Arritmia	2137	2041	4	96	95.51	99.80
108m	Ritmo Sinusal Normal	1763	291	1	1472	16.51	99.66
109m	Ritmo Sinusal Normal	2532	88	0	2444	3.48	100.00
111m	Ritmo Sinusal Normal	2124	25	1	2099	1.18	96.15
112m	Ritmo Sinusal Normal	2539	654	0	1885	25.76	100.00
113m	Ritmo Sinusal Normal	1795	1321	0	474	73.59	100.00
114m	Ritmo Sinusal Normal	1872	297	0	1575	15.87	100.00
114m	Otra Arritmia	7	4	1427	3	57.14	0.28
115m	Ritmo Sinusal Normal	1953	1658	0	295	84.90	100.00
116m	Ritmo Sinusal Normal	2412	1370	0	1042	56.80	100.00
117m	Ritmo Sinusal Normal	1535	12	0	1523	0.78	100.00
118m	Ritmo Sinusal Normal	2278	799	0	1479	35.07	100.00
119m	Ritmo Sinusal Normal	1498	955	73	543	63.75	92.90
119m	Otra Arritmia	489	208	203	281	42.54	50.61
121m	Ritmo Sinusal Normal	1863	407	0	1456	21.85	100.00
122m	Ritmo Sinusal Normal	2476	2458	0	18	99.27	100.00
123m	Ritmo Sinusal Normal	1518	95	0	1423	6.26	100.00
124m	Ritmo Sinusal Normal	1534	183	11	1351	11.93	94.33
124m	Otra Arritmia	85	52	543	33	61.18	8.74
200m	Ritmo Sinusal Normal	1398	384	24	1014	27.47	94.12
200m	Taquicardia ventricular	23	5	367	18	21.74	1.34
200m	Otra Arritmia	1180	352	114	828	29.83	75.54
201m	Ritmo Sinusal Normal	691	28	151	663	4.05	15.64
201m	Fibrilacion Auricular	911	130	203	781	14.27	39.04
201m	Otra Arritmia	361	184	467	177	50.97	28.26
202m	Ritmo Sinusal Normal	1092	129	67	963	11.81	65.82
202m	Aleteo Auricular	104	79	154	25	75.96	33.91
202m	Fibrilacion Auricular	940	86	39	854	9.15	68.80
203m	Aleteo Auricular	536	68	155	468	12.69	30.49
203m	Fibrilacion Auricular	2354	378	185	1976	16.06	67.14
203m	Taquicardia ventricular	79	16	692	63	20.25	2.26
203m	Otra Arritmia	7	1	783	6	14.29	0.13
205m	Ritmo Sinusal Normal	2607	2502	0	105	95.97	100.00
205m	Taquicardia ventricular	49	19	29	30	38.78	39.58
207m	Ritmo Sinusal Normal	1485	5	2	1480	0.34	71.43
207m	Taquicardia ventricular	6	0	492	6	0.00	0.00
207m	Flutter ventricular	472	69	49	403	14.62	58.47
207m	Otra Arritmia	369	152	1268	217	41.19	10.70
208m	Ritmo Sinusal Normal	2443	255	137	2188	10.44	65.05
208m	Otra Arritmia	510	58	487	452	11.37	10.64
209m	Ritmo Sinusal Normal	2744	1377	0	1367	50.18	100.00
209m	Otra Arritmia	261	5	3	256	1.92	62.50
210m	Fibrilacion Auricular	2591	193	16	2398	7.45	92.34
210m	Taquicardia ventricular	12	1	1255	11	8.33	0.08
210m	Otra Arritmia	46	10	413	36	21.74	2.36
212m	Ritmo Sinusal Normal	2748	2398	0	350	87.26	100.00
213m	Ritmo Sinusal Normal	3135	13	0	3122	0.41	100.00
213m	Taquicardia ventricular	7	2	358	5	28.57	0.56
213m	Otra Arritmia	109	0	8	109	0.00	0.00
214m	Ritmo Sinusal Normal	2168	402	7	1766	18.54	98.29
214m	Taquicardia ventricular	6	1	655	5	16.67	0.15
214m	Otra Arritmia	88	20	881	68	22.73	2.22
215m	Ritmo Sinusal Normal	3357	16	0	3341	0.48	100.00
215m	Taquicardia ventricular	6	0	995	6	0.00	0.00
217m	Fibrilacion Auricular	338	10	12	328	2.96	45.45
217m	Taquicardia ventricular	3	0	314	3	0.00	0.00
217m	Otra Arritmia	1867	1571	131	296	84.15	92.30
219m	Ritmo Sinusal Normal	329	20	549	309	6.08	3.51
219m	Fibrilacion Auricular	1802	319	188	1483	17.70	62.92
219m	Otra Arritmia	23	8	506	15	34.78	1.56
220m	Ritmo Sinusal Normal	2021	673	1	1348	33.30	99.85
220m	Otra Arritmia	27	1	850	26	3.70	0.12
221m	Fibrilacion Auricular	2357	294	11	2063	12.47	96.39
221m	Taquicardia ventricular	6	2	631	4	33.33	0.32
221m	Otra Arritmia	64	30	804	34	46.88	3.60
222m	Ritmo Sinusal Normal	1181	814	74	367	68.92	91.67
222m	Aleteo Auricular	742	181	123	561	24.39	59.54
222m	Fibrilacion Auricular	188	42	514	146	22.34	7.55
222m	Otra Arritmia	372	157	212	215	42.20	42.55
223m	Ritmo Sinusal Normal	1996	863	28	1133	43.24	96.86
223m	Taquicardia ventricular	181	86	805	95	47.51	9.65
223m	Otra Arritmia	428	65	134	363	15.19	32.66
228m	Ritmo Sinusal Normal	1659	173	2	1486	10.43	98.86
228m	Otra Arritmia	394	232	315	162	58.88	42.41
230m	Ritmo Sinusal Normal	1341	820	55	521	61.15	93.71
230m	Otra Arritmia	915	449	262	466	49.07	63.15
231m	Ritmo Sinusal Normal	1151	1045	0	106	90.79	100.00
231m	Otra Arritmia	420	4	17	416	0.95	19.05
232m	Bradicardia Sinusal	1780	20	0	1760	1.12	100.00
233m	Ritmo Sinusal Normal	2871	169	0	2702	5.89	100.00
233m	Taquicardia ventricular	18	5	797	13	27.78	0.62
233m	Otra Arritmia	190	100	614	90	52.63	14.01
234m	Ritmo Sinusal Normal	2703	2587	3	116	95.71	99.88
234m	Otra Arritmia	50	2	0	48	4.00	100.00
48 registros		109957	41147	21357	68810	37.42	65.83

Conclusiones

• Se implementó el algoritmo Pan Tompkins para hallar los picos R con una sensibilidad de 99.03% y predictividad de 99.14% sobre los 48 registros que proporciona la base de datos de arritmias del MIT-BIH 24H.
• Se implementó el algoritmo de Mohamed Elgendi para hallar las ondas P con una sensibilidad de 94.07% y predictividad de 83.52% sobre los 12 registros que proporciona la base de datos de arritmias del MIT-BIH 24H para las ondas P.
• Se implementó las reglas de decisión de Parayikorn para poder detectar las arritmias con una sensibilidad de 37.42% y predictividad de 65.83% sobre los 48 registros de la base de datos de arritmias del MIT-BIH 24H.