Non-invasive techniques for respiratory information extraction based on pulse photoplethysmogram and electrocardiogram

El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de metodos no invasivos para la extraccion de informacion respiratoria a partir de dos senales biomedicas ampliamente utilizadas en la rutina clinica: el electrocardiograma (ECG) y la senal fotopletismografica de pulso (PPG). La motivacion de este estudio es la conveniencia de monitorizar informacion respiratoria a partir de dispositivos no invasivos que permita sustituir las tecnicas actuales que podrian interferir con la respiracion natural y que presentan inconvenientes en algunas aplicaciones como la prueba de esfuerzo y los estudios del sueno. Ademas, si estos dispositivos no invasivos son los ya utilizados en la rutina clinica, la informacion respiratoria extraida de ellos representa un valor anadido que permite tener una vision mas completa del paciente. DESARROLLO TEORICO Esta tesis se divide en 6 capitulos. El Capitulo 1 introduce la problematica, motivaciones y objetivos del estudio. Tambien introduce el origen fisiologico de las senales estudiadas ECG y PPG, y como y por que tienen informacion autonomica y respiratoria que se puede extraer de ellas. El Capitulo 2 aborda la obtencion de informacion respiratoria a partir del ECG. Se han propuesto varios metodos para la obtencion de la respiracion a partir del ECG (EDR, del ingles ? ECG derived respiration? ). Su rendimiento se suele ver muy afectado en entornos altamente no estacionarios y ruidosos como la prueba de esfuerzo. No obstante, se han propuesto algunas alternativas, como una basada en el angulo de rotacion del eje electrico (obtenido del ECG), que es el que mejor funciona en prueba de esfuerzo segun nuestros conocimientos. Este metodo requiere de tres derivaciones ortogonales y es muy dependiente de cada una de ellas, i.e., el metodo no es aplicable o su rendimiento se reduce significativamente si hay algun problema en alguna de las derivaciones requeridas. En el Capitulo 2 se propone un metodo EDR nuevo basado en las pendientes del QRS y el angulo de la onda R. El Capitulo 3 aborda a obtencion de informacion respiratoria a partir de la senal PPG. Se propone un metodo nuevo para obtener la tasa respiratoria a partir de la senal PPG. Explota una modulacion respiratoria en la variabilidad de anchura de pulso (PWV) relacionada con la velocidad y dispersion de la onda de pulso. El Capitulo 4 aborda la extraccion de informacion respiratoria a partir de senales PPG registradas con smarthpones (SCPPG), mediante la adaptacion de los metodos basados en la senal PPG presentados en el Capitulo 3. En el Capitulo 5 se propone un metodo para el diagnostico del sindrome de apnea obstructiva del sueno (OSAS) en ninos basado unicamente en la senal PPG. El OSAS es una disfuncion relacionada con la respiracion y el sueno que se diagnostica mediante polisomnografia (PSG). La PSG es el registro nocturno de muchas senales durante el sueno, siendo muy dificil de aplicar en entornos ambulatorios. El metodo que presenta esta tesis esta enfocado a diagnosticar el OSAS en ninos utilizando unicamente la senal PPG que permitiria considerar un diagnostico ambulatorio con sus ventajas economicas y sociales. Finalmente, el Capitulo 6 resume las contribuciones originales y las conclusiones principales de esta tesis, y propone posibles extensiones del trabajo. CONCLUSION El metodo presentado en el Capitulo 2 para estimar la tasa respiratoria a partir de las pendientes del complejo QRS y el angulo de la onda R en el ECG demostro ser robusto en entornos altamente no estacionarios y ruidosos y por tanto ser aplicable durante ejercicio incluyendo entrenamiento deportivo. Ademas, es independiente de un conjunto especifico de derivaciones y, por tanto, un problema en alguna de ellas no implica una reduccion considerable del rendimiento. El metodo presentado en el Capitulo 3 para estimar la tasa respiratoria a partir de la PWV extraida de la senal PPG esta mucho menos afectada por el tono simpatico que otros metodos presentados en la literatura que suelen basarse en la amplitud y/o la tasa de pulso. Esto permite una mayor precision que otros metodos basados en PPG. Ademas, se propone un metodo para combinar informacion de diferentes senales respiratorias, y se utiliza para estimar la tasa respiratoria a partir de la PWV en combinacion con otros metodos basados en la senal PPG, mejorando la precision de la estimacion incluso en comparacion con otros metodos en la literatura que requieren el ECG o la presion sanguinea. Los metodos propuestos en el Capitulo 4 para estimar la tasa respiratoria mediante senales SCPPG estimaron de forma precisa la tasa respiratoria en sus rangos espontaneos habituales (0.2-0.4 Hz) e incluso a tasas mas altas (hasta 0.5 Hz o 0.6 Hz, dependiendo del dispositivo utilizado). El unico requerimiento es que el smartphone tenga un luz tipo flash y una camara para grabar una yema del dedo sobre ella. La popularidad de los smartphones los convierte en dispositivos de acceso y aceptacion r? apidos. Asi, para la poblacion general es potencialmente aceptable un metodo que funciona en smartphones, pudiendo facilitar la medida de algunas constantes vitales utilizando solo la yema del dedo. El metodo presentado en el Capitulo 5 para el diagnostico del OSAS en ninos a partir de la PPG obtuvo una precision suficiente para la clinica, aunque antes de ser aplicado en dicho entorno, el metodo deberia ser validado en una base de datos mas grande.