Software zur Analyse von Herzfrequenz- und Blutdruck-Zeitreihendaten aus dem Valsalva-Manöver

Meine Forschung umfasst die Entwicklung von Methoden zur Analyse physiologischer Daten. Mein Hauptaugenmerk liegt auf Daten, die zur Beurteilung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen und dem Zusammenspiel von Herz-Kreislauf- und Hormonsystem erhoben werden. Jüngste Fortschritte integrieren mechanistische Modellierung mit Data Science, um Patienten zu phänotypisieren, Surrogatmodelle zu erstellen und digitale Zwillinge zu entwickeln. In dieser Studie wurde eine Software entwickelt, die auf reproduzierbare Weise Biomarker aus EKG- und Blutdrucksignalen extrahieren kann, die während des Valsalva-Manövers gemessen wurden, einem physiologischen Test zur Beurteilung der Funktion des autonomen Kontrollsystems. Als angewandte Mathematikerin beinhalte ich vor allem die Entwicklung von Berechnungsmethoden unter Verwendung einer Reihe von Programmiersprachen, darunter MATLAB, C++, Fortran und R. Neben dem Valsalva-Analysator beschäftige ich mich in meiner Forschung mit der Entwicklung von Computermodellen, die bildgebende und hämodynamische Daten für die Analyse des vaskulären Netzwerks integrieren. Der Valsalva-Analysator bietet einen Algorithmus, der auf reproduzierbare Weise alle bekannten Herzfrequenz- und Blutdruck-Biomarker extrahieren kann, und er verwendet ein mathematisches Modell, um sympathische und parasympathische Signalmarker aufzudecken, die nicht direkt messbar sind. Die Software kann Ärzten helfen, Patienten mit autonomer Dysfunktion zu diagnostizieren.

[Dozent] Verwenden Sie zunächst eine digitale Blutdruckmanschette zur kontinuierlichen Messung des Blutdrucks am Zeige- und Mittelfinger der nicht-dominanten Hand. Positionieren Sie die Hand auf Höhe des Herzens, um die Auswirkungen der Schwerkraft zu eliminieren. Platzieren Sie die Elektroden in gleichem Abstand zum Herzen. Platzieren Sie die weiße EKG-Ableitung links und die schwarze EKG-Ableitung rechts vom Vorhof und platzieren Sie das rote EKG an der linken unteren Kante des Brustkorbs. Weisen Sie den Probanden nach der Instrumentierung an, das Valsalva-Manöver durchzuführen, indem er in ein exspiratorisches Druckgerät mit positivem Ende ausatmet, das mit einem Manometer verbunden ist. Nehmen Sie vor und nach dem Valsalva-Manöver mindestens 30 Sekunden lang stabile Signale auf. Führen Sie das Valsalva-Manöver aus, indem Sie die Person bitten, 15 Sekunden lang auszuatmen und dabei einen Druck von 40 Millimetern Quecksilbersäule aufrechtzuerhalten. Um die Signale mit 1000 Hertz von LabChart nach MATLAB zu exportieren, wählen Sie mit der Maus den Teil des Signals aus, der exportiert werden soll. Wählen Sie im Menü "Als MATLAB exportieren" die Kanäle aus, die HR, BP, EKG und intrathorakalen Druck enthalten, falls gemessen. Hier die Kanäle eins bis drei. Wählen Sie 32-Bit-Gleitkomma, Sample-Up auf die gleiche Rate und heben Sie die Auskommentierung von Kommentaren und Event-Markern auf. Klicken Sie auf OK, um die . MAP-Datei und brechen Sie ab, um den Export zu stoppen. Wählen Sie im Popup-Menü die Option "Abbildungsparameter", den Typ der Softwareplattform, die Schriftgröße der Abbildung, die Größe der Markierung und die Linienbreite aus. Klicken Sie dann auf OK, um die Einstellungen zu übernehmen und mit der Patientenauswahl fortzufahren. Wählen Sie im Menü Patientenauswahl die zu analysierenden Patienten aus. Wählen Sie mit der Maus eine beliebige Anzahl von Patienten aus der Liste aus und klicken Sie auf OK, um mit dem nächsten Schritt fortzufahren. Wählen Sie in der Auswahl der Menüoperation die auszuführenden Operationen in absteigender Reihenfolge aus. Nachdem Sie den ersten Operationsschritt ausgewählt haben, wählen Sie die Patienteninformationen aus. Klicken Sie auf OK, um fortzufahren. Geben Sie im Einblendmenü Patienteninformationen ein, z. B. Patienten-ID, Alter, Geschlecht, Größe und Gewicht. Klicken Sie dann auf OK, um fortzufahren. Ein neues Einblendmenü wird angezeigt. Geben Sie in diesem Menü die Kanalreihenfolgen für die Signale EVG, HR, BP und Thoraxdruck ein. Wenn der Thoraxdruck nicht gemessen wird, geben Sie Null ein. Auf dem Bildschirm erscheint eine Abbildung, die das EKG, die Herzfrequenz und den Blutdruck als Zeitfunktionen anzeigt. Wählen Sie die zu analysierenden Daten aus, einschließlich ca. 30 Sekunden vor und nach dem Valsalva-Manöver. Positionieren Sie das Fadenkreuz und klicken Sie einmal mit der Maus am Anfang und ein zweites Mal am Ende. Die ausgewählten Daten werden in der Abbildung rot angezeigt. Klicken Sie auf Speichern und beenden. Wählen Sie Schritt zwei, Elektrokardiogramm oder EKG, im Operationsauswahlmenü aus. Die Abbildung zeigt nun das EKG-Signal. Um falsch platzierte Peaks zu korrigieren, klicken Sie im Einblendmenü auf "Ja". Klicken Sie im nächsten Menü auf OK und scrollen Sie mit dem Handwerkzeug nach rechts, bis die Peaks, die korrigiert werden müssen, im Fenster sichtbar sind. Wenn ein Peak fehlt, falsch platziert ist oder ein zusätzlicher Peak markiert ist, scrollen Sie zur Position des Peaks. Drücken Sie die Eingabetaste auf der Tastatur, um ein Menü mit der Abfrage "Möchten Sie RS-Punkte korrigieren?" zu öffnen. Klicken Sie auf Ja, um Punkte zu korrigieren, oder auf Nein, um zum Operationsmenü zurückzukehren. Als nächstes erscheint ein Menü mit der Option "Zum Korrigieren auf den Punkt klicken". Drücken Sie OK und platzieren Sie das Fadenkreuz auf dem Punkt, der korrigiert werden muss. Im nächsten Menü wird gefragt: "Punkt hinzufügen oder entfernen?" Um einen Punkt hinzuzufügen, klicken Sie auf Hinzufügen. Der markierte Punkt wird in rot oder blau angezeigt. Das Programm klassifiziert den Punkt als R oder S, basierend auf der genauen Klickposition. Um einen Punkt zu entfernen, klicken Sie auf Entfernen und der markierte Punkt wird gelöscht. Drücken Sie die Eingabetaste auf der Tastatur. Klicken Sie in der Eingabeaufforderung, ob Sie Punkte korrigieren möchten, auf Nein. Wenn die Anzahl der R- und S-Peaks nicht identisch ist und der Benutzer auf Nein klickt, wird in einem neuen Menü die Meldung "Die Anzahl der R- und S-Peaks muss gleich sein. Überprüfen Sie die Daten." Klicken Sie auf OK und der Code kehrt zum Spitzenkorrekturschritt zurück. Wählen Sie im Auswahlmenü der Operation Schritt drei, Herzfrequenz. Die Abbildung zeigt die Herzfrequenz im oberen Bereich und das EKG im unteren Bereich. Wenn das Herzfrequenzsignal keine Artefakte aufweist, klicken Sie auf Speichern und beenden, um zur Patientenauswahl zurückzukehren. Wenn die Daten Fehler enthalten, klicken Sie auf Herzfrequenz korrigieren. Scrollen Sie entlang des Herzfrequenzsignals und lokalisieren Sie Artefakte. Drücken Sie die Eingabetaste auf der Tastatur, wenn Sie einen Bereich anzeigen, der korrigiert werden muss. Klicken Sie im Menü mit der Abfrage "Klicken Sie auf Punkte, um eine Verbindung herzustellen" auf OK. Richten Sie das Fadenkreuz über dem ersten Punkt vor dem Artefakt aus und klicken Sie einmal mit der Maus. Richten Sie dann das Fadenkreuz über dem ersten Punkt nach dem Artefakt aus und klicken Sie ein zweites Mal mit der Maus. Ein linearer Spline verbindet die beiden Punkte. Auf dem Bildschirm erscheint ein Menü mit der Frage "Änderung akzeptieren?" Wählen Sie Ja, rückgängig machen oder Änderung hinzufügen aus. Nun zeigt die Abbildung die Herzfrequenz im oberen Bereich und das EKG im unteren Bereich an. Um fortzufahren, drücken Sie Speichern und Beenden. Wählen Sie im Operationsauswahlmenü Schritt vier, Atmung. Das Atemsignal wird aus der Größe des QRS-Signals generiert. Klicken Sie auf Speichern und beenden, um die Abbildung zu speichern. Wählen Sie im Auswahlmenü der Operation Schritt fünf, Blutdruck. Richten Sie das Fadenkreuz auf eine Blutdruckspitze aus und klicken Sie einmal mit der Maus. Richten Sie dann das Fadenkreuz auf der nächsten Spitze rechts aus und klicken Sie erneut. Es erscheint die Abbildung mit automatisch erkannten systolischen und diastolischen Signalen. Es erscheint ein Menü mit der Frage "Möchten Sie systolische Punkte korrigieren?" Drücken Sie Ja, um fortzufahren, oder Nein, um mit der diastolischen Blutdruckkorrektur fortzufahren. Klicken Sie auf den letzten korrekten systolischen Blutdruckwert vor der Korrektur. Füge dann Punkte hinzu, an denen der Blutdruck sein sollte. Klicken Sie dann auf den ersten richtigen Punkt nach dem Artefakt und drücken Sie die Eingabetaste. Eine gestrichelte rote Kurve zeigt den korrigierten systolischen Blutdruck an. Fahren Sie bis zum Ende des Signals fort, indem Sie nach rechts scrollen. Klicken Sie auf Enter und fahren Sie mit der Korrektur des diastolischen Blutdrucks fort. Die Korrektur des diastolischen Blutdrucks beginnt mit einem Menü, in dem Sie gefragt werden: "Möchten Sie diastolische Punkte korrigieren?" Drücken Sie Ja, um zu korrigieren, oder Nein, um fortzufahren. Drücken Sie Speichern und beenden, um zur Patientenauswahl zurückzukehren. Wählen Sie im Vorgangsauswahlmenü Schritt sechs, VM-Phasen, aus. Um den Start des Valsalva-Manövers zu markieren, richten Sie das Fadenkreuz auf den Beginn des Atemanhaltens aus und klicken Sie einmal. Richten Sie anschließend das Fadenkreuz auf das Ende des angehaltenen Atems aus und klicken Sie einmal, um das Ende des Valsalva-Manövers zu markieren. Es erscheint ein Menü mit der Aufforderung "Indizes akzeptieren?" Wählen Sie Ja, um den Vorgang abzuschließen, und Nein, um die automatische Erkennung von Phasen zu überprüfen, die durch vertikale Linien gekennzeichnet sind. Wählen Sie im Auswahlmenü der Operation Schritt sieben, Klinische Verhältnisse. Die Abbildung zeigt den systolischen Blutdruck im oberen Bereich, die Herzfrequenz im mittleren Bereich und das RR-Intervall im unteren Bereich. Prüfen Sie Kennwerte, die mit kreisförmigen Markierungen versehen sind. Klicken Sie auf Ja, wenn alle Punkte korrekt sind. Klicken Sie andernfalls auf Nein, um Anpassungen vorzunehmen. Auf dem Bildschirm wird die Menüaufforderung "Zu verschiebende Punkte auswählen" angezeigt. Wählen Sie einen, mehrere oder alle Punkte aus. Klicken Sie auf OK, um fortzufahren, oder auf Abbrechen, um Änderungen zu überspringen. Führen Sie Schritt acht (nominale Modellvorhersage) aus, um eine Abbildung mit vier Feldern zu generieren. Die linken Felder zeigen die zeitveränderliche Zeit und den systolischen Blutdruck oben und den intrathorakalen Druck unten an, die als Modelleingaben dienen. Die oberen rechten Felder zeigen die gemessene Herzfrequenz und die vorhergesagte Herzfrequenz sowie die vorhergesagten sympathischen und parasympathischen Signale unten. Die nächsten Schritte, die Sensitivitätsanalyse und -optimierung, erfordern keine Benutzerinteraktion. Die Ausführung dieser Schritte dauert zwei bis fünf Minuten. Sie kalibrieren das mathematische Modell mit Daten und schätzen sympathische und parasympathische Dynamiken. Wählen Sie nach der Sensitivitätsanalyse und -optimierung Schritt 11, Modellvorhersagen zeichnen, aus, um eine Menüabfrage mit der Abfrage "Anzuzeigende Modellvorhersage auswählen" zu generieren. Wählen Sie die Option Optimieren, um die Ergebnisse von Modellvorhersagen mit dem kalibrierten Modell anzuzeigen. Die Ergebnisse werden mit dem gleichen Abbildungslayout wie in der Modellvorhersage nominal angezeigt. Klicken Sie unten rechts auf Speichern und beenden, um fortzufahren. Öffnen Sie das Menü "Daten speichern", in dem Sie aufgefordert werden, den Namen der Datenzusammenfassungsdatei einzugeben. Geben Sie den bevorzugten Dateinamen in das Textfeld ein. Es erscheint ein zweites Menü, in dem der Benutzer aufgefordert wird, ein Dateiformat auszuwählen. Auswählen. XLSX oder eine durch Kommas getrennte Datei. Die gespeicherte Datei enthält Patienteninformationen, klinische Marker und Regressionslinien sowie nominale oder optimierte Parameterwerte. EKG-Signalkorrekturen eliminierten erfolgreich die Notwendigkeit einer Herzfrequenzkorrektur in allen Datensatzen, mit einer Ausnahme, bei der der achte Proband unregelmäßige EKG-Muster aufwies. Die Herzfrequenzkorrektur, die auf den achten Probanden angewendet wurde, führte zu einem gleichmäßigen Herzfrequenzsignal, das sich nach der Anpassung an die anderen Probanden anpasste. Die Atmungssignale wurden aus EKG-Daten unter Verwendung des QRS-Komplexes abgeleitet, um intrathorakale Druckänderungen effektiv vorherzusagen. Die Software identifizierte beide QRS-Wellen austauschbar für die Berechnung des intrathorakalen Drucks. Die BP-Korrektur wurde angewendet, um fehlende Beats und falsche Peak-Erkennung aufgrund von Sensorfehlern zu beheben. Während des Valsalva-Manövers führten Herzfrequenzschwankungen dazu, dass die Software Spitzenwerte verpasste, was eine Blutdruckkorrektur erforderlich machte. Systolische und diastolische BP-Signale wurden durch stückweise lineare Spine-Interpolation korrigiert, um eine genaue Rekonstruktion der BP-Wellenform zu gewährleisten. Die Software identifizierte erfolgreich Valsalva-Manöverphasen und klinische Marker, einige mussten jedoch manuell korrigiert werden. Fehlplatzierungen des maximalen Blutdrucks und der minimalen Herzfrequenz in der frühen Phase vier wurden korrigiert, wodurch die Regressionsgenauigkeit verbessert wurde. Die Regressionslinien für die frühen Phasen zwei und vier wurden berechnet, wobei R-Quadrat-Werte für die Qualitätsbewertung einbezogen wurden.