BRPI0902539A2 - dispositivo e método para identificação de arritmias cardìacas e alterações eletrolìticas a partir da análise do eletrocardiograma - Google Patents

Abstract

DISPOSITIVO E MéTODO PARA IDENTIFICAçãO DE ARRITMIAS CARDìACAS E ALTERAçõES ELETROLìTICAS A PARTIR DA ANáLISE DO ELETROCARDIOGRAMA A presente invenção é caracterizada por um dispositivo eletrónico e um método para a aquisição e análise de sinais eletrocardiográficos (ECG) para a identificação de arritmias cardíacas e possíveis anormalidade eletrolíticas no músculo cardíaco, relacionada com os lons potássio, sódio, cálcio e magnésio.

Description

"DISPOSITIVO E MÉTODO PARA IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIASCARDÍACAS E ALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISEDO ELETROCARDIOGRAMA"

CAMPO INVENÇÃO

A presente invenção é caracterizada por um dispositivo eletrônico e ummétodo para a aquisição e análise de sinais eletrocardiográficos (ECG) para aidentificação de arritmias cardíacas e possíveis anormalidade eletrolíticas nomúsculo cardíaco, relacionada com os íons potássio, sódio, cálcio e magnésio.

ESTADO DA ARTE

As doenças cardiovasculares afetam milhões de pessoas em todomundo e podem ser consideradas como uma das mais importantes causas deóbitos em muitos países, com custos estimados na ordem de bilhões dedólares. Dentre as diversas doenças cardíacas, as arritmias são doençascardiovasculares comuns que afetam a taxa de batimentos cardíacos, podendoprovocar ritmos irregulares, e dependendo do tipo e intensidade podemocasionar um infarto do miocárdio ou até mesmo levar o paciente ao óbito.

A atividade elétrica do coração é diretamente influenciada pelotransporte contínuo de íons através da membrana das células cardíacas. Estavariação gera diferenças de concentração dos referidos íons na periferia docoração. Eletrodos sensíveis podem ser colocados em pontos específicos docorpo, registrando esta diferença elétrica que é utilizada para gerar oeletrocardiograma (ECG). O ECG é uma ferramenta muito importante para aformação do diagnóstico médico, permitindo a identificação de arritmiascardíacas, dentre outras doenças, tais como fibrilação ventricular e atrial. Destaforma, novas metodologias capazes de detectar e classificar arritmias,preferencialmente em tempo real, podem se tornar ferramentas úteis paraauxiliar peritos na formulação de diagnósticos.

O exame eletrocardiográfico pode ser utilizado em situações de urgênciae emergência cardiovascular detectando infartos e/ou arritmias cardíacas. Oexame também é utilizado em consultas ambulatoriais e exames pré-operatórios de risco cirúrgico, dentre outros. O exame eletrocardiográficocaracteriza-se por não ser invasivo e de rápida obtenção, podendo inclusive serutilizado para monitoramento em tempo real de pacientes em operação ouestado de risco.

Anormalidades no eletrocardiograma podem estar presentes em umavariedade de condições não cardíacas, ou seja, em que a patologia cardíacanão é a condição primária. Essas condições, geralmente, dificultam odiagnóstico, e suas fisiopatologias podem ser geradas entre outros fatores, porexemplo, devido ao desequilíbrio eletrolítico, embolismo pulmonar, doenças dosistema nervoso central, desordens esofágicas, hipotermia e uso demedicamentos, entre outras (D.B. Diercks, G.M. Shumaik, R.A. Rarrigan, W.J.Brady, T.C. Chan; J Emerg. Med.; 27-2 (2004) 153).

Estudos têm demonstrado que o eletrocardiograma é sensível aalterações nas concentrações de íons que são transportados através damembrana celular de células cardíacas, tais como potássio, cálcio, sódio emagnésio. Keith et al. (W.D. Keith, B.S.SIovis, C.M.Slovis.; Ann. Emerg. Med.;19-5 (1990) 580) observaram que o ECG apresenta alterações em presença deanormalidades eletrolíticas, e usaram a variação no potencial de ação (FIG 1),detectada no ECG1 como critério para a previsão de deficiências eletrolíticas.Estudos utilizados como base de conhecimento para esta patente mostram quea deficiência de potássio (hipopotassemia) causa prolongamento na fase 3(repolarização); a deficiência de cálcio (hipocalcemia) causa prolongamento nafase 2 (platô); a deficiência de magnésio (hipomagnesemia) poderia estarassociada a elevação pico da onda T, ligeiro prolongamento do complexo QRS,ligeira depressão do seguimento ST, e, ainda, ligeiro prolongamento dointervalo QU. A deficiência de sódio (hiponatremia) não causa, em princípio,mudança significativa no ECG.

Segundo Fish (C. Fisk; Circulation; 47 (1973) 408), a concentraçãoplasmática do íon potássio está relacionada com a maioria das arritmias,constituindo-se no íon que mais altera as propriedades eletrofisiológicas docoração. O mesmo estudo mostra que o sódio e o magnésio podem contribuirpara o surgimento de arritmias cardíacas, entretanto, não alteram de formaacentuada a morfologia do sinal de ECG, tal como os íons cálcio e potássio.Atualmente existem diversos tipos de equipamentos de monitoraçãocardíaca e métodos para identificação de arritmias do tipo PVC (contraçãoventricular prematura). Entretanto, estes métodos em geral não estãoagregados aos equipamentos de monitoração, sendo que a identificação dasarritmias em geral é feita posteriormente ao exame. Assim, a identificação dasarritmias não é feita em tempo real. Além disso, os monitores cardíacos emgeral não fornecem informações sobre o estado químico do paciente, emrelação às concentrações de íons como cálcio e potássio, que podem estarcausando, por exemplo, arritmias do tipo PVC.

Por exemplo, a patente depositada em 24/07/2006, sob o númeroPI0603234-6, intitulada "SISTEMAS PARA REALIZAÇÃO DEELETROCARDIOGRAMA DE REPOUSO E ELETROCARDIOGRAMA DEESFORÇO (TESTE ERGOMÉTRICO) COM LAUDO E ACOMPANHAMENTOEM TEMPO REAL POR MEIO DA INTERNET" e a patente de invençãodepositada em 06/09/2006, sob o número PI0604117-5, intitulada "MONITORDE ELETROCARDIOGRAMA EM COMPUTADOR MANUAL PALM TOP", quecaptam sinais eletrocardiográficos pelo contato direto com o corpo do paciente,através de eletrodos que podem ser exibidos diretamente na tela docomputador ou através da internet e/ou GSM.

Existem também alguns métodos para diagnóstico de arritmias que nãodisponibilizam os diagnósticos na Internet, como exemplo a patente deinvenção depositada em 11/01/2008, sob o número PI0800954-6, intitulada"MAPEAMENTO RÍTMICO AUTOMATIZADO PARA IDENTIFICAÇÃO DEARRITMIA CARDÍACA POR VIAS DE CONDUÇÃO E FOCAL", que utiliza ocateterismo (método invasivo) para chegar ao ventrículo e recolher o materialde análise. As técnicas invasivas podem causar um desconforto ao indivíduoque é submetido ao exame clínico e o material coletado deve ser submetido aprocessos laboratoriais para a obtenção do diagnóstico. Esses procedimentoslaboratoriais podem ser demorados prejudicando o diagnóstico de doenças emtempo hábil e também a tomada de decisões de médicos e especialistasquanto aos processos terapêuticos que devem ser adotados, bem como asquantidades de substâncias farmacológicas que devem ser administradas aospacientes. Além disso, a coleta, em geral, deve ser feita em ambulatóriosmédicos, clínicas especializadas ou em salas adequadas à coleta. Esse tipo demedida invasiva, através de cateterismo, tem ainda o risco inerente aoprocesso, podendo acarretar óbitos. Esses equipamentos apresentam,entretanto, uma série de limitações funcionais necessárias para realização deexames de ECG, pois apresentam característica de emergência ouacompanhamento por longo intervalo de tempo.

Tendo em vista os diversos problemas apresentados acima e no intuitode superá-los a presente invenção propõe um dispositivo não-invasivo para adetecção de arritmias cardíacas e anormalidades eletrolíticas no músculocardíaco somente a partir da análise da morfologia do sinal de ECG em temporeal. Evidencia-se assim, a importância deste novo método, pois com a suautilização, é possível detectar arritmias do tipo PVC em tempo real. Estacaracterística é uma grande vantagem em relação aos métodos de análisetradicionais, que em geral são feitos em fitas de papel milimetrado, após arealização do exame. Além disso, com a proposição desta nova metodologia, épossível também obter indicações sobre o estado eletrolítico do coração, emrelação aos íons cálcio e potássio. Esta última característica constitui-se em umavanço no estado da técnica, pois pode contribuir para a formulação dediagnósticos mais completos, que de outra maneira gastariam grande tempoem análises laboratoriais e procedimentos invasivos como coleta de sangue.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A implementação do sistema de determinação dos níveis eletrolíticos nocoração depende diretamente do reconhecimento das alterações que cada íonprovoca no eletrocardiograma. Desta forma, a Tabela 1 apresenta algumasdescrições das possíveis modificações observáveis no ECG, mas nãolimitantes, e que estão diretamente relacionadas com alterações eletrolíticas nomúsculo cardíaco.

Tabela 1 Resumo das anormalidades eletrolíticas e suas respectivasinfluências de arritmias cardíacas observadas no ECG.<table>table see original document page 6</column></row><table>

Alterações nos níveis do íon potássio provocam mudanças marcantesnas representações eletrocardiográficas, figurando como um dos principaisíons com maior capacidade de alteração do ciclo cardíaco e sendo umaimportante ferramenta para confirmação de quadros de hipopotassemia ouhiperpotassemia. Alguns fatores que contribuem para esse desequilíbrio são afalência renal e medicamentos como os anti-inflamatórios não esteróidais,inibidores da enzima angiotensina convertase, diuréticos e digitálicos (D.B.Diercks1 G.M. Shumaik1 R.A. Rarrigan1 W.J. Brady1 T.C. Chan; J Emerg. Med.;27-2 (2004) 153).A hipopotassemia, também conhecida como hipocalemia, caracteriza-sepor níveis plasmáticos de potássio inferiores a 3,5mEq/L e provoca arritmias,extra-sístole ventricular (PVC), supraventricular, fibrilação, taquicardia atrial,bradicardia e bloqueios (D.B. Diercks1 G.M. Shumaik, R.A. Rarrigan, W.J.Brady, T.C. Chan; J Emerg. Med.; 27-2 (2004) 153). A hipocalemia estáassociada com a diminuição da amplitude da onda T1 aumento da amplitude daonda U1 prolongamento do intervalo QU e depressão do seguimento ST, quecausam o prolongamento da fase de repolarização. Na hipocalemia severa oaparecimento de ondas U gigantes, geralmente oculta a pequena onda Tprecedente e a onda P seguinte (FIG 2).

Nos quadros de hiperpotassemia (conhecida também comohipercalemia), têm-se níveis plasmáticos de potássio superiores a 5,5mEq/L(Tabela 2). A permeabilidade da membrana plasmática é aumentada com oaumento da concentração de potássio extracelular. O influxo aumentado depotássio decresce o potencial de repouso da célula e, consequentemente, háuma diminuição da velocidade da fase zero do potencial de ação, ocasionandoum atraso na condução. As primeiras mudanças observadas no ECG são aaparência de pico e estreitamento da onda T e encurtamento do intervalo QT,devido à rápida repolarização anormal, como pode ser observado na Tabela 2Em concentrações de potássio de 7 a 8mEq/L as alterações ocorrem peloatraso da despolarização, produzindo um alargamento do complexo QRS (lentadespolarização ventricular) e decréscimo da amplitude com alargamento eeventual perda da onda P. Prolongamento do intervalo PR também pode estarpresente, seguido de segundo e terceiro bloqueio átrio-ventricular. Asalterações finais são um padrão de onda senoidal, do qual o complexo QRSalargado funde com a onda T. Então, segue-se a fibrilação ventricular eassistolia, como pode ser visualizado na Figura 3

Tabela 2 - Classificação de hipocalemia e hipercalemia baseada nasamplitudes relativas à amplitude da onda R, das ontas T e U em um ciclocardíaco.<table>table see original document page 8</column></row><table>

Os dados constantes das Tabelas 1 e 2 da FIG 4 permitem construiruma metodologia computacional que represente e simule a influência deanormalidades eletrolíticas causadas por alterações nas concentrações dosíons potássio e cálcio na geração do potencial de ação de células cardíacas econsequentemente, no ECG. Além destes dados, a metodologia propostapermite também detectar e classificar arritmias do tipo PVC, baseadas noreconhecimento de padrões dos complexos QRS de um ciclo cardíaco quecompõem um eletrocardiograma.

As arritmias cardíacas podem ser geradas por diversos fatores, taiscomo ritmos anormais gerados no nodo sinoatrial (marcapasso natural docoração), deslocamento deste marcapasso do nodo sinoatrial para outras áreasdo coração e obstrução dos impulsos elétricos provenientes do nodo sinoatrial.Arritmias podem também ser geradas, por anormalidades eletrolíticas em íonstais como cálcio, potássio, sódio e magnésio.

Esta invenção é baseada em um método para reconhecer padrõesnormais e também arrítmicos do tipo PVC1 em sinais de ECG. Desta forma,pode-se detectar em tempo real arritmias do tipo PVC, somente pela alteraçãoda morfologia do sinal de ECG causada pela arritmia. Além disso, alteraçõesnas concentrações de íons, tais como cálcio e potássio também modificam amorfologia do sinal de ECG.Este método de reconhecimento pode utilizar diversas metodologias taiscomo regressões lineares, não-lineares, técnicas de mínimos quadrados,análise de componentes principais (PCA)1 regressões múltiplas (PLR), redesneurais artificiais (RNA)1 métodos de soluções de valores singulares como SVDe decomposições LU, ou ainda métodos de soluções integrais como Tikhonov,não limitantes, bem como ainda combinações dessas metodologias.

Para o dispositivo proposto na presente invenção, foi utilizado o métodopor redes neurais artificiais (RNA). Assim, a RNA é treinada para detectar asalterações, de modo que é capaz de detectar em tempo real arritmias do tipoPVC e as possíveis anormalidades eletrolíticas que podem estar causando estaarritmia. Para o êxito desta metodologia, um treinamento com dadosrepresentativos do sistema a ser modelado é fundamental. Evidencia-se assima vantagem de se utilizar RNAs na construção do aparato, pois as RNAsevitam a utilização de técnicas de processamento digital de sinais para aextração das características morfológicas do sinal de ECG provocadas pelaarritmia PVC e também provocadas pelas alterações nos íons cálcio e potássio.Desta forma, a presente invenção permite que somente a partir do sinal deECG, seja possível detectar e classificar arritmias e também sugerir quais íonspossivelmente, podem estar contribuindo para o surgimento de tais arritmias.

Esta invenção é baseada em uma técnica de inteligência artificial,conhecida como redes neurais artificiais (RNA). Particularmente nessainvenção, uma RNA é treinada para reconhecer padrões normais e tambémarrítmicos do tipo PVC, em sinais de ECG. Desta forma, pode-se detectar emtempo real arritmias do tipo PVC, somente pela alteração da morfologia dosinal de ECG causada pela arritmia. Além disso, alterações nas concentraçõesde íons, tais como cálcio e potássio também modificam a morfologia do sinal deECG. Assim, a RNA também é treinada para detectar estas alterações, demodo que a presente invenção é capaz de detectar em tempo real arritmias dotipo PVC e as possíveis anormalidades eletrolíticas que podem estar causandoesta arritmia. Para o êxito desta metodologia, um treinamento com dadosrepresentativos do sistema a ser modelado é fundamental. Evidencia-se assima vantagem de se utilizar RNAs na construção do aparato, pois as RNAsevitam a utilização de técnicas de processamento digital de sinais para aextração das características morfológicas do sinal de ECG provocadas pelaarritmia PVC e também provocadas pelas alterações nos íons cálcio e potássio.Desta forma, a presente invenção permite que somente a partir do sinal deECG1 seja possível detectar e classificar arritmias e também sugerir quais íonspossivelmente, podem estar contribuindo para o surgimento de tais arritmias.

Para que a presente invenção possa detectar arritmias e alteraçõeseletrolíticas em pacientes reais e em tempo real, foi desenvolvido um protótipoeletrônico, baseado em um microcontrolador RISC, (computador com conjuntode instruções reduzido), de baixo custo, além de circuitos eletrônicos paraaquisição e tratamento do sinal de ECG, um teclado e um Display de cristallíquido (LCD). A configuração da RNA utilizada para detecção de arritmias dotipo PVC e alterações eletrolíticas causadas por alterações nas concentraçõesdos íons cálcio e potássio foi inserida na memória de programa domicrocontrolador, de modo que o sistema eletrônico desenvolvido passou apossuir a inteligência necessária para a correta interpretação do sinal de ECG.A arquitetura geral do sistema desenvolvido é mostrada na FIG 4. Este sistemaé constituído pelos seguintes módulos:

1. Módulo de Aquisição do Sinal de ECG. Este módulo é responsável pelotratamento do sinal analógico do ECG e é constituído pelos seguintescomponentes:

a. Amplificador de Entrada: responsável pela amplificaçãoinicial do sinal de ECG proveniente dos eletrodos ligados aopaciente.

b. Filtros: responsáveis pela eliminação de ruídosindesejáveis no sinal de ECG. Existem filtros para eliminação deruídos de baixa freqüência, através de um filtro de 0,5 Hz, etambém um filtro para a eliminação do ruído de 60 Hz produzidopela linha de alimentação AC (110/220 volts).

c. Módulo detector de QRS: este módulo produz um pulsodigital sempre que um novo pico da onda R é detectado.2. Microcontrolador: O microcontrolador tem as seguintescaracterísticas embutidas, particularmente úteis para esta aplicação: 128kilobytes de memória de programa, 4 kilobytes de memória de dados, 2portas seriais de comunicação RS-232 que corresponde a um padrão decomunicação onde os bits são enviados um após o outro, 5 contadoresde tempo, 4 entradas de interrupções externas e corrente de repousotípica abaixo de 0,2 microamperes. Todas estas característicaspermitem que o dispositivo eletrônico tenha baixo consumo e sejaportátil, onde a análise dos dados pode ser feita em tempo real.

3. Teclado: O teclado é utilizado para tarefas de configuração.

4. Display de Cristal Líquido (LCD): O LCD é usado para informar otipo de batimento cardíaco detectado (Normal ou Arrítmico), bem comoos valores dos batimentos por minutos (BPM) do sinal de ECG.

Para a detecção da freqüência cardíaca, a saída do detector de QRS éconectada a um pino de interrupção do microcontrolador. Consequentemente,uma interrupção é gerada no equipamento toda vez que um pico da onda R édetectado. Neste caso, um alarme sonoro é emitido para indicar a detecção daonda R. O programa de controle, interno ao microcontrolador, usa um contadorde tempo embutido para calcular o intervalo de tempo entre duas interrupçõesconsecutivas. Este período de tempo corresponde ao intervalo RR atual, cujorecíproco (1/RR) corresponde à freqüência cardíaca do sinal de ECG emanálise. Então, calcula-se o intervalo RR médio para 10 medidas, nãolimitantes, de acordo com a seguinte equação:

<formula>formula see original document page 11</formula>

Em seguida, calculam-se os valores li, I2 e b, que correspondem as entradasdo sistema de reconhecimento de padrões formado pela rede neural artificial,conforme as expressões:

<formula>formula see original document page 11</formula>

Quando um novo pico da onda R é detectado, as entradas da RNA sãoatualizadas e o intervalo RR atual é classificado como normal ou PVC. Dessaforma, o intervalo RR pode ser medido e classificado em tempo real, assimcomo a freqüência cardíaca. Todos os módulos do programa que é executadopelo microcontrolador, incluindo a implementação da RNA, foramdesenvolvidos em linguagem "C" e estão localizados na memória de programainterna do microcontrolador.

DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

FIG 1 - Estrutura geral de um ciclo cardíaco.

FIG 2 - Padrões de ECG e concentrações características parahipocalemia e hipercalemia.

FIG 3 - Faixas do intervalo QTc.

FIG 4 - Modelo proposto para a detecção de arritmias do tipo PVC epara identificação de anormalidades dos íons cálcio e potássio.

FIG 5 - Arquitetura proposta para reconhecimento de padrões de sinaisde ECG, onde x(t), x(t-1) ... x(t-30) correspondem as 30 amostras temporais docomplexo QRS e y(t) é a saída da RNA.

FIG 6 - Arquitetura do dispositivo eletrônico

FIG 7 - Trecho do registro 113, compreendido no intervalo entre 307 e312 segundos, onde estão destacadas a onda Teo local que corresponderia àonda U.

FIG 8 - Trecho do registro 100 com a onda T pouco acentuada.

FIG 9 - Trecho do registro 113 com a onda T proeminente.

FIG 10 - Trecho do registro 116 com a onda T proeminente.

FIG 11 - Trecho do registro 117 com a onda T proeminente.

FIG 12 - Trecho do registro 215 com a onda T proeminente.

FIG 13 - Trecho do registro 230 com a onda T proeminente.

FIG 14 - Exemplos de ECGs da base de dados que apresentam valoresmédios do intervalo QTc característico de hipocalcemia. Registro 103 (a),registro 108 (b), registro 213 (c) e registro 231 (d).

A FIG 1 corresponde a um esquema ilustrando as diferentes partes e asrespectivas nomenclaturas de um ciclo cardíaco normal e obtido através doexame eletrocardiográfico. 0 ciclo é formado por um trecho denominado ondaP, complexo QRS e onda T. Estas ondas podem ter a morfologia alterada emconseqüência de distúrbios eletrolíticos.

Os gráficos na parte superior da FIG 2, referente a hipocalemia, nota-seuma diminuição da onda T e um aumento da onda U, a medida que aconcentração de [K+] diminui. Na parte inferior desta mesma figura, referente àhipercalemia, as ondas T têm picos e o sinal de ECG assume a forma senoidal,à medida que a concentração de [K+] aumenta. A partir dessas curvas foipossível dividir por faixas de concentração, as principais característicasmorfológicas do sinal de ECG associadas com estas concentrações. Foramdeterminadas então, as amplitudes relativas das ondas T e U em relação àamplitude das ondas R de cada ciclo cardíaco, de acordo com a faixa deconcentração de potássio, com uma tolerância de ±10%, não limitante. ATabela 2 mostra estas faixas, não limitantes, que foram utilizadas no dispositivode detecção do ciclo cardíaco a ser analisado. Uma análise adicional é feitapara determinar se as amplitudes das ondas T e U, em conjunto, caracterizamconcentrações anormais de potássio.

A FIG 3 mostra as faixas de atribuição de anormalidades arrítmicas queestão relacionadas com intervalo QT que corresponde ao tempo entre o inícioda onda Qeo final da onda T. Este intervalo de tempo é dependente dafreqüência cardíaca, ou seja, quanto maior a freqüência, menor é o intervaloQT. Este fato deve ser levado em consideração através de um fator decorreção, pois indivíduos diferentes tem freqüências cardíacas distintas. Nestapatente foi utilizada a fórmula de Bazzett (H.C. Bazett, Heart, 7 (1920) 353),mas não limitante, para a realização da correção, gerando a medida QTc;

<formula>formula see original document page 13</formula>

Sendo que, RR é o intervalo entre o início de um complexo QRS e o próximoQRS1 medido em segundos. Os limites superiores e inferiores para a atribuiçãode um indivíduo saudável, como é mostrado na FIG 3, foram propostos porGoldenberg e colaboradores (I. Goldenberg, A.J. Moss, W. Zareba, J.Cardiovasc Electrophysiol, 17 (2006) 333) a partir da análise de 581 indivíduossaudáveis.

A FIG 4 corresponde à estrutura geral do método proposto nestapatente para determinações de arritmias e anormalidades eletrolíticas. Osistema utiliza os ciclos completos de ECG (400). Cada ciclo é analisado pelosistema de reconhecimento de padrões, formado pela rede neural artificial(410) que retorna qual a condição cardíaca (Normal ou arrítmica) (440). A partirda determinação das amplitudes das ondas TeU (320) e do cálculo dointervalo QTc (330), os ciclos cardíacos arrítmicos podem ser classificadoscomo normal, hipocalcemia ou hipercalcemia (431 e 432).

A FIG 5 mostra a implementação de um método, não limitante, propostopara o reconhecimento de padrões de sinais de ECG através de uma RNA.Para o reconhecimento de padrão do complexo QRS, 30 amostras deamplitudes do sinal são espaçadas no tempo e fornecidas com entradas daRNA, que então classifica o complexo como normal ou arrítmico. A RNA étreinada com 4014 complexos QRS obtidos do MIT/BIH Arrhythmia Database,pertencentes aos registros 106 e 119. A configuração da rede é constituída por30 neurônios de entrada. As camadas internas da rede são formadas por 6neurônios na primeira camada intermediária e 10 na segunda.

A FIG 6 representa a estrutura do dispositivo eletrônico implementadopara a determinação de arritmias cardíacas e anormalidades eletrolíticas.Inicialmente, o sistema deve ser alimentado com uma base de dados dearritmias (630) que corresponde a RNA treinada. A RNA é alocada na memóriade programa do microcontrolador. A análise inicia-se com a colocação deeletrodos no paciente (600), um circuito eletrônico analógico (610) faz aamplificação dos sinais, elimina os ruídos na faixa de 0,5 Hz e 60 Hz, emseguida, ainda no circuito analógico, é feita a detecção do complexo QRS. Ocomplexo é então transferido para o microcontrolador RISC de 8 bits, que éconstituído por controlador de instrução (621), memória flash (622), 3contadores de tempo (623), uma porta serial (624) para alocar a rede neuralartificial, memória RAM (625) para execução do sistema e uma porta serial(626) para a saída dos dados por um display LCD e/ou computador. A saída(650) é formada pelo tipo de arritmia cardíaca, se existir e pela anormalidadeeletrolítica presente.

A FIG 8 mostra um trecho do ECG referente ao registro 113 da base dedados, com ondas T caracterizadas por picos. A FIG 9 mostra um ECG comonda T suprimida e demonstrando assim, um quadro de hipocalemia. Enquantoque as FIGs 10, 11, 12, e 13 demonstram ondas T mais acentuadas revelandoa presença de hipercalemia.

EXEMPLO 1: VALIDAÇÃO DO PROCESSO DE DETERMINAÇÃO DEARRITMIAS CARDÍACAS

Após treinada, a RNA, FIG 5, foi utilizada para reconhecer padrões decomplexos QRS de diversos registros da base de dados do MIT/BIH ArrhythmiaDatabase. Os registros de ECG pertencem a diferentes grupos: o primeirogrupo representa ECGs de pacientes encontrados normalmente, na rotinaclínica; o segundo grupo inclui arritmias complexas e anormalidades decondução. Os testes de validação foram então realizados separadamente paraestes dois grupos. A Tabela 3, a seguir, mostra os resultados para o primeirogrupo.

Tabela 3- Resultados da classificação da RNA através do reconhecimentode padrões dos complexos QRS para o primeiro grupo de registros. TPVCcorresponde a quantidade de arritmias do tipo PVC e PCD:PVC é aquantidade corretamente detectada

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A tabela 3 mostra resultados expressivos, pois nos registros analisadosa grande maioria dos complexos QRS com morfologia característica de PVC(de acordo com o conjunto de treinamento) foi corretamente reconhecido. Porexemplo, no registro 116 da base de dados, de um total de 107 registrosidentificados como PVC no arquivo de anotações da base de dados, a RNAreconheceu todos como PVC. Para o registro 124, que possui 46 registrosanotados como PVC, a RNA reconheceu 45.

Os resultados apresentados na Tabela 4, para o segundo grupo deregistros, mostra a eficiência do treinamento da RNA1 pois mesmo sendo umgrupo com arritmias complexas, a RNA reconheceu os padrões de PVC comum erro médio de previsão da ordem de 95%. Por exemplo, o registro 208 dabase de dados possui 972 complexos QRS identificados como PVC. A RNAreconheceu corretamente o padrão morfológico de 969 destes complexos.Esse resultado eqüivale a 99,7% de acerto, e portanto, pode-se considerarquantitativo para a determinação dessa morfologia. De um modo geral, osresultados mostram também que o conjunto de treinamento escolhido (registros106 e 119) foi bastante representativo das características morfológicas deECGs com arritmia do tipo PVC, sendo esta escolha fundamental, mas nãolimitantes, para o sucesso da metodologia proposta.

Tabela 4 Resultados da classificação da RNA através de reconhecimentode padrão dos complexos QRS para o segundo grupo de registros. TPVC:total PVC, PCD: PVC corretamente detectada

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EXEMPLO 2: DETECÇÃO DE HIPOCALEMIA E HIPERCALEMIA

Para a detecção de hipocalemia e hipercalemia foram utilizados ospadrões de alterações das ondas TeU mostrados na Fig 2. Na hipocalemiaocorre uma diminuição da onda T e um aumento da onda U em decorrência dadiminuição da concentração de [K+]. Na hipercalemia, as ondas Tgradativamente assumem a forma de picos, em decorrência do aumento daconcentração de [K+]. Assim, foi desenvolvido e implementado um algoritmoque determina a amplitude máxima das ondas T e U de cada ciclo cardíaco deum registro. Estas amplitudes são, então, classificadas de acordo com asfaixas estabelecidas na Tabela 1. Para cada uma dessas faixas existe umcontador, que é atualizado a cada ciclo. Ao término de todos os ciclos, quecorrespondem ao ECG completo de um registro, a porcentagem de cadacontador em relação ao número total de ciclos é calculada. O sistema, entãosugere baseado na maior porcentagem encontrada, uma classificação do ECGem hipocalemia ou hipercalemia, e também a possível faixa de concentraçãosugerida. Uma análise nos registros da base de dados do MIT/BIH ArrhythmiaDatabase mostra que diversos deles tem suas ondas T alteradas. Por exemplo,o registro 113 apresenta, em geral, ondas T em pico, como mostra a FIG 7.Analisando o primeiro ciclo cardíaco, marcado com um círculo, nota-se umaonda T acentuada. Assim, de acordo com os critérios adotados na Tabela 1,verifica-se um indicativo de hipercalemia. Nota-se também que não há umaonda U, e portanto, este ECG não apresenta características de hipocalemia.

As FIGs 8, 9, 10 11, 12 e 13 mostram complexos QRS que foramselecionados da base de dados para análise do sistema desenvolvido. A FIG 8mostra o registro 100, que como pode ser constatado, não tem a onda Tproeminente. Assim, o ECG foi classificado como não possuindo deficiência depotássio. Nas Figuras 9 e 10 e em todos os ECGs das Figuras 11, 12, e 13existem ciclos cardíacos com a onda T proeminente, indicando assim que estesECGs apresentam anormalidades em relação ao íon potássio.

A Tabela 5 mostra o resultado da análise do algoritmo de tratamento dasondas TeU para os registros mostrados nas Figuras 11, 12 e 13. Como podeser notado nessas figuras, não existe onda U significante, e o algoritmo,portanto não detectou sinais de hipocalemia.

Tabela 5 Resultados da classificação da RNA (FIG 5) para registros queapresentam hipocalemia ou hipercalemia.

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EXEMPLO 3 DETECÇÃO DE HIPOCALCEMIA E HIPERCALCEMIA

Na base de dados do MIT/BIH Arrhythmia Database não existemindicações de anormalidades eletrolíticas nos arquivos de EGCs. Para que omodelo proposto para a detecção de hipocalcemia e hipercalcemia pudesse seravaliado, foram selecionados registros da base de dados que apresentamintervalos QT longos, normais e curtos, de acordo com as faixas estabelecidasna FIG 3. Esses registros foram então utilizados para validar o modeloproposto. A FIG 14 mostra quatro trechos de ECGs retirados diretamente dabase de dados, onde estão impressos ECGs para as derivações Dll (bipolar) eV2 (precordial). A escala Horizontal mostra que cada intervalo da gradecorresponde a um período de 200 milissegundos. Uma análise visual doregistro da FIG 14 (a), considerando a escala de 200 milissegundos, mostraque os intervalos QT desta figura estão aproximadamente em torno de 400milissegundos, para um intervalo RR de aproximadamente 840 milissegundos.O valor correspondente de QTc é 436 milissegundos, e portanto, os intervalosQT mostrados são normais. Nas Figuras 14 (b), (c) e (d), observa-se que osintervalos QTs são longos, em relação aos respectivos intervalos RR, eportanto, indicativos de hipocalcemia.

A Tabela 6 mostra o resultado da análise do algoritmo para os registrosmostrados na FIG 14. O registro 103 apresentou um QTc médio igual a 410milissegundos, e portanto, não apresentou indícios de anormalidades devido aalterações nas concentrações do íon cálcio. Todos os outros registrosapresentaram um valor de QTc maior do que 440 milissegundos, e de acordocom a FIG 3, são classificados como indicativo de hipocalcemia.

Tabela 6 Resultados da classificação do algoritmo proposto para osregistros mostrados na FIG 14

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Claims (10)

1. - DISPOSITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, caracterizado por compreender um modulo deaquisição de sinal de eletrocardiograma, um microcontrolador RISC1 umteclado e um display para leitura (visor).

2. - DISPOSITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor compreender um módulo de aquisição de sinal analógico formado porum amplificador de sinal de entrada, dois filtros para eliminação de ruídosnas faixas de 0,5 e 60Hz e um modulo detector de QRS.

3. - DISPOSITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor compreender um microcontrolador RISC, constituído por controlador deinstrução, memória flash, 3 contadores de tempo, uma porta serial paraalocar o sistema de reconhecimento de arritmias e anormalidadeseletrolíticas, memória RAM para execução do sistema e uma porta serialpara a saída dos dados por um computador.

4. - DISPOSITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor compreender um teclado para a realização de tarefas de configuração.

5. - DISPOSITIVO PARA IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopor compreender um display de cristal líquido (LCD) para exibir asinformações de tipo de batimento cardíaco, quantidade de batimentos,anormalidade eletrolítica.

6. - MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, caracterizado por compreender um sistema parareconhecimento de padrões nas amplitudes e freqüências das ondas doeletrocardiograma, utilizando regressões lineares, não-lineares, técnicas demínimos quadrados, análise de componentes principais (PCA), regressõesmúltiplas (PLR)1 redes neurais artificiais (RNA)1 métodos de soluções devalores singulares como SVD e decomposições LU1 ou ainda métodos desoluções integrais como Tikhonov1 bem como combinações dessasmetodologias.

7. MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DE ARRITM IAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, caracterizado por compreender um sistema deredes neurais artificiais para reconhecimento de padrões nas amplitudes efreqüências das ondas do eletrocardiograma..

8. MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DE ARRITM IAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor compreender uma rede neural formada por 30 neurônios de entrada, 6neurônios na primeira camada intermediária, 10 neurônios na segundacamada e 1 neurônio de saída.

9. MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DE ARRITM IAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor permitir a identificação de hipo e hipercalemia, hipo e hipercalcemia ede arritmias cardíacas do tipo PVC.

10. MÉTODO DE IDENTIFICAÇÃO DE ARRITMIAS CARDÍACAS EALTERAÇÕES ELETROLÍTICAS A PARTIR DA ANÁLISE DOELETROCARDIOGRAMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizadopor permitir a identificação de anormalidades eletrolíticas no músculocardíaco que estão relacionadas com a escassez ou excesso de íonspotássio, cálcio, magnésio e sódio.