Software per l'analisi dei dati delle serie temporali della frequenza cardiaca e della pressione sanguigna dalla manovra di Valsalva

La mia ricerca riguarda lo sviluppo di metodologie per l'analisi di dati fisiologici. Il mio obiettivo principale è quello di valutare i dati raccolti per valutare le malattie cardiovascolari e l'interazione tra i sistemi cardiovascolare e ormonale. I recenti progressi integrano la modellazione meccanicistica con la scienza dei dati per fenotipizzare i pazienti, costruire modelli surrogati e sviluppare gemelli digitali. Questo studio sviluppa un software che, in modo riproducibile, è in grado di estrarre biomarcatori dall'ECG e dai segnali di pressione arteriosa misurati durante la manovra di Valsalva, un test fisiologico utilizzato per valutare la funzione del sistema di controllo autonomo. Come matematico applicato, i miei principali contributi riguardano lo sviluppo di metodologie computazionali utilizzando una serie di linguaggi di programmazione, tra cui MATLAB, C++, Fortran e R. Oltre all'analizzatore Valsalva, la mia ricerca riguarda lo sviluppo di modelli computazionali che integrano l'imaging e i dati emodinamici per l'analisi delle reti vascolari. L'analizzatore Valsalva fornisce un algoritmo che, in modo riproducibile, può estrarre tutti i biomarcatori noti della frequenza cardiaca e della pressione sanguigna e utilizza un modello matematico per rivelare marcatori di segnalazione simpatici e parasimpatici non direttamente misurabili. Il software può aiutare i medici a diagnosticare i pazienti con disfunzione autonomica.

[Istruttore] Per iniziare, utilizzare un bracciale digitale per la misurazione continua della pressione sanguigna dall'indice e dal medio della mano non dominante. Posiziona la mano all'altezza del cuore per eliminare gli effetti della gravità. Posizionare gli elettrodi equidistanti dal cuore. Posizionare l'elettrocatetere ECG bianco a sinistra e l'elettrocatetere ECG nero a destra dell'atrio e posizionare l'ECG rosso sul bordo inferiore sinistro della gabbia toracica. Dopo la strumentazione, istruire il soggetto a eseguire la manovra di Valsalva espirando in un dispositivo di pressione positiva di fine espirazione collegato a un manometro. Registra segnali stabili per almeno 30 secondi prima e dopo la manovra di Valsalva. Eseguire la manovra di Valsalva chiedendo al soggetto di espirare per 15 secondi, mantenendo una pressione di 40 millimetri di mercurio. Per esportare i segnali da LabChart a MATLAB a 1000 hertz, selezionare la parte del segnale da esportare utilizzando il mouse. Nel menu Esporta come MATLAB, selezionare i canali contenenti HR, BP, ECG e pressione intratoracica, se misurati. Qui, i canali da uno a tre. Selezionare la virgola mobile a 32 bit, aumentare il campionamento alla stessa velocità e rimuovere il commento dai commenti e dagli indicatori di evento. Fare clic su OK per esportare . MAP e annulla per interrompere l'esportazione. Dal menu a comparsa, selezionare i parametri della figura, scegliere il tipo di piattaforma software, la dimensione del carattere della figura, la dimensione dell'indicatore e la larghezza della linea. Quindi fare clic su OK per accettare le impostazioni e procedere alla selezione del paziente. Dal menu di selezione dei pazienti, selezionare i pazienti da analizzare. Utilizzare il mouse per selezionare un numero qualsiasi di pazienti dall'elenco e fare clic su OK per procedere al passaggio successivo. Dal menu di selezione delle operazioni, selezionare le operazioni da eseguire in ordine decrescente. Dopo aver selezionato la prima fase dell'operazione, selezionare le informazioni sul paziente. Fare clic su OK per procedere. Nel menu a comparsa, inserisci le informazioni sul paziente, tra cui ID paziente, età, sesso, altezza e peso. Quindi fare clic su OK per procedere. Viene visualizzato un nuovo menu a comparsa. In questo menu, inserire gli ordini dei canali per i segnali ECG, HR, BP e pressione toracica. Se la pressione toracica non viene misurata, immettere zero. Sullo schermo apparirà una cifra che mostra i pannelli ECG, frequenza cardiaca e pressione sanguigna in funzione del tempo. Seleziona i dati da analizzare, inclusi circa 30 secondi prima e dopo la manovra di Valsalva. Posiziona il mirino e fai clic una volta con il mouse all'inizio e una seconda volta alla fine. I dati selezionati appariranno in rosso nella figura. Fare clic su Salva ed esci. Selezionare la fase due, elettrocardiogramma o ECG, nel menu di selezione dell'operazione. Ora la figura mostra il segnale ECG. Per correggere i picchi fuori posto, fare clic su Sì nel menu a comparsa. Nel menu successivo, fare clic su OK e scorrere verso destra utilizzando lo strumento manuale fino a quando i picchi che necessitano di correzione non sono visibili nella finestra. Se un picco è mancante, fuori posto o se è contrassegnato un picco aggiuntivo, scorrere fino alla posizione del picco. Premere Invio sulla tastiera per aprire un menu che richiede la query "Vuoi correggere i punti RS?" Fare clic su Sì per correggere i punti o su No per tornare al menu delle operazioni. Successivamente, viene visualizzato un menu con l'opzione "Fare clic sul punto per correggere". Premere OK e posizionare il mirino sul punto che necessita di correzione. Il menu successivo chiederà "Aggiungi o rimuovi punto?" Per aggiungere un punto, fare clic su Aggiungi. Il punto contrassegnato apparirà in rosso o blu. Il programma classificherà il punto come R o S in base all'esatta posizione del clic. Per rimuovere un punto, fare clic su Rimuovi e il punto contrassegnato verrà eliminato. Premere Invio sulla tastiera. Al prompt che chiede se si desidera correggere i punti, fare clic su no. Se il numero di picchi R e S non è identico e l'utente fa clic su no, verrà visualizzato un nuovo menu con il messaggio "Il numero di picchi R e S deve essere uguale. Ispeziona i dati". Fare clic su OK e il codice tornerà alla fase di correzione del picco. Nel menu di selezione del funzionamento, selezionare il passaggio tre, frequenza cardiaca. La figura mostra la frequenza cardiaca nel pannello superiore e l'ECG nel pannello inferiore. Se il segnale della frequenza cardiaca non presenta artefatti, fare clic su Salva ed esci, tornando alla selezione del paziente. Se sono presenti errori nei dati, fare clic su Frequenza cardiaca corretta. Scorri lungo il segnale della frequenza cardiaca e individua gli artefatti. Premere Invio sulla tastiera quando si visualizza una regione che necessita di correzione. Fare clic su OK nel menu che richiede la query "Fare clic sui punti per connettersi". Allinea il mirino sul primo punto prima dell'artefatto e fai clic una volta con il mouse. Quindi allinea il mirino sul primo punto dopo l'artefatto e fai clic una seconda volta con il mouse. Una spline lineare collega i due punti. Sullo schermo viene visualizzato un menu che chiede "Accettare la modifica?" Selezionare Sì, Annulla o Aggiungi modifica. Ora la figura mostra la frequenza cardiaca nel pannello superiore e l'ECG nel pannello inferiore. Per continuare, premere Salva ed uscire. Nel menu di selezione dell'operazione, selezionare la fase quattro, respirazione. Il segnale respiratorio è generato dall'ampiezza del segnale QRS. Fare clic su Salva ed esci per memorizzare la figura. Nel menu di selezione dell'operazione, selezionare il passaggio cinque, pressione sanguigna. Allineare il mirino con un picco di pressione sanguigna e fare clic una volta con il mouse. Quindi allinea il mirino sul picco successivo a destra e fai clic di nuovo. Viene visualizzata la figura, che mostra i segnali sistolici e diastolici rilevati automaticamente. Viene visualizzato un menu che richiede "Vuoi correggere i punti sistolici?" Premere sì per procedere o no per procedere alla correzione della pressione diastolica. Fare clic sull'ultimo valore corretto della pressione sistolica prima della correzione. Quindi aggiungi i punti in cui dovrebbe essere la pressione sanguigna. Quindi fare clic sul primo punto corretto dopo l'artefatto e premere invio. Una curva rossa tratteggiata mostrerà la pressione sistolica corretta. Continua fino alla fine del segnale scorrendo verso destra. Fare clic su Invio e continuare a correggere la pressione diastolica. La correzione della pressione diastolica inizia con un menu che chiede: "Vuoi correggere i punti diastolici?" Premere sì per correggere o no per procedere. Premere Salva ed esci per tornare alla selezione del paziente. Nel menu di selezione dell'operazione selezionare il passaggio sei, Fasi della macchina virtuale. Per segnare l'inizio della manovra di Valsalva, allineare il mirino con l'inizio della trattenuta del respiro e fare clic una volta. Successivamente, allinea il mirino con l'estremità dell'apnea e fai clic una volta per contrassegnare la fine della manovra di Valsalva. Viene visualizzato un menu che richiede "Accetta gli indici?" Selezionare sì per completare l'operazione e no per ispezionare il rilevamento automatico delle fasi delineate da linee verticali. Nel menu di selezione dell'operazione, selezionare la fase sette, rapporti clinici. La figura raffigura la pressione arteriosa sistolica nel pannello superiore, la frequenza cardiaca nel pannello centrale e l'intervallo RR nel pannello inferiore. Ispezionare i valori caratteristici annotati con marcatori circolari. Fare clic su Sì se tutti i punti sono corretti. In caso contrario, fare clic su no per le regolazioni. Sullo schermo viene visualizzato il messaggio "Seleziona punti da spostare". Scegli uno, più punti o tutti i punti. Fare clic su OK per continuare o su Annulla per ignorare le modifiche. Eseguire il passaggio otto, previsione del modello nominale, per generare una figura con quattro pannelli. I pannelli di sinistra mostrano la variazione del tempo e la pressione arteriosa sistolica nella parte superiore e la pressione intratoracica nella parte inferiore, che fungono da input del modello. I pannelli in alto a destra mostrano la frequenza cardiaca misurata e la frequenza cardiaca prevista e i segnali simpatici e parasimpatici previsti in basso. I passaggi successivi, l'analisi e l'ottimizzazione della sensibilità, non richiedono alcuna interazione da parte dell'utente. L'esecuzione di questi passaggi richiede da due a cinque minuti. Calibrano il modello matematico sui dati, stimando le dinamiche simpatiche e parasimpatiche. Dopo l'analisi e l'ottimizzazione della sensibilità, selezionare il passaggio 11, Previsioni del modello di tracciamento, per generare una query di menu "Seleziona la previsione del modello da mostrare". Scegliere di ottimizzare per visualizzare i risultati delle previsioni del modello con il modello calibrato. I risultati vengono visualizzati utilizzando lo stesso layout di figure della previsione del modello nominale. Fare clic su Salva ed esci in basso a destra per procedere. Apri il menu di salvataggio dei dati, che richiede "Inserisci il nome del file di riepilogo dei dati". Immettere il nome del file preferito nella casella di testo. Viene visualizzato un secondo menu che richiede all'utente di scegliere un formato di file. Selezionare. XLSX o un file separato da virgole. Il file salvato include informazioni sul paziente, marcatori clinici e linee di regressione e valori dei parametri nominali o ottimizzati. Le correzioni del segnale ECG hanno eliminato con successo la necessità di correzione della frequenza cardiaca in tutti i set di dati tranne uno, dove il soggetto otto mostrava modelli ECG irregolari. La correzione della frequenza cardiaca applicata al soggetto otto ha prodotto un segnale di frequenza cardiaca regolare, allineandosi con altri soggetti dopo la regolazione. I segnali respiratori sono stati derivati dai dati ECG utilizzando l'entità del complesso QRS, prevedendo efficacemente le variazioni della pressione intratoracica. Il software ha identificato le onde QRS in modo intercambiabile per i calcoli della pressione intratoracica. La correzione della pressione arteriosa è stata applicata per risolvere i battiti mancanti e il rilevamento errato dei picchi a causa di errori del sensore. Durante la manovra di Valsalva, le fluttuazioni della frequenza cardiaca hanno causato al software di perdere i picchi che richiedevano la correzione della pressione arteriosa. I segnali della pressione arteriosa sistolica e diastolica sono stati corretti utilizzando l'interpolazione lineare della colonna vertebrale a tratti, garantendo un'accurata ricostruzione della forma d'onda della pressione arteriosa. Il software ha identificato con successo le fasi di manovra di Valsalva e i marcatori clinici, ma alcuni hanno richiesto una correzione manuale. Gli errori di posizionamento della pressione arteriosa massima e della frequenza cardiaca minima nella fase quattro iniziale sono stati corretti, migliorando l'accuratezza della regressione. Le linee di regressione per le prime fasi due e quattro sono state calcolate con i valori R quadrati inclusi per la valutazione della qualità.