Electrocardiogram Signal Analysis and Simulations for Non-Invasive Diagnosis - Model-Based and Data-Driven Approaches for the Estimation of Ionic Concentrations and Localization of Excitation Origins
Creators: name: Pilia, Nicolas Alessandro
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021
Subjects: Biosignalverarbeitung
EKG
Signalverarbeitung
biosignal processing
ecg
signal processing

description: Das Elektrokardiogramm (EKG) ist die Standardtechnik zur Messung der elektrischen Aktivität des Herzens. EKG-Geräte sind verfügbar, kostengünstig und erlauben zudem eine nichtinvasive Messung. Das ist insbesondere wichtig für die Diagnose von kardiovaskulären Erkrankungen (KVE). Letztere sind mit verursachten Kosten von 210 Milliarden Euro eine der Hauptbelastungen für das Gesundheitssystem in Europa und dort der Grund für 3,9 Millionen Todesfälle – dies entspricht 45% aller Todesfälle. Neben weiteren Risikofaktoren spielen chronische Nierenerkrankungen und strukturelle Veränderungen des Herzgewebes eine entscheidende Rolle für das Auftreten von KVE. Deshalb werden in dieser Arbeit zwei Pathologien, die in Verbindung zu KVE stehen, betrachtet: Elektrolytkonzentrationsveränderungen bei chronisch Nierenkranken und ektope Foki, die autonom Erregungen iniitieren. In beiden Projekten ist die Entwicklung von Methoden mithilfe von simulierten Signalen zur Diagnoseunterstützung das übergeordnete Ziel. Im ersten Projekt helfen simulierte EKGs die Signalverarbeitungskette zur EKG-basierten Schätzung der Ionenkonzentrationen von Kalium und Calcium zu optimieren. Die Erkenntnisse dieser Optimierung fließen in zwei patienten-spezifische Methoden zur Kaliumkonzentrationsschätzung ein, die wiederum mithilfe von Patientendaten ausgewertet werden. Die Methoden lieferten im Mittel einen absoluten Fehler von 0,37 mmol/l für einen patienten-spezifischen Ansatz und 0,48 mmol/l für einen globalen Ansatz mit zusätzlicher patienten-spezifischer Korrektur. Die Vorteile der Schätzmethoden werden gegenüber bereits existierender Ansätze dargelegt. Alle entwickelten Algorithmen sind ferner unter einer Open-Source-Lizenz veröffentlicht. Das zweite Projekt zielte auf die Lokalisierung von ektopen Foki mithilfe des EKGs ohne die Nutzung der individuellen Patientengeometrie. 1.766.406 simulierte EKG-Signale (Body Surface Potential Maps (BSPMs)) wurden zum Trainieren von zwei Convolutional Neural Networks (CNNs) erzeugt. Das erste CNN sorgt für die Schätzung von Anfang und Ende der Depolarisation der Ventrikel. Das zweite CNN nutzt die Information der Depolarisation im BSPM zur Schätzung des Erregungsurpsrungs. Der spezielle Aufbau des CNNs ermöglicht die Darstellung mehrerer Lösungen, wie sie durch Mehrdeutigkeiten im BSPM vorliegen können. Der kleinste Median des Lokalisierungsfehlers lag bei 1,54 mm für den Test-Datensatz der simulierten Signale, bzw. bei 37 mm für Patientensignale. Somit erlaubt die Kombination beider CNNs die verlässliche Lokalisierung von ektopen Foki auch anhand von Patientendaten, obwohl Patientendaten vorher nicht im Training genutzt wurden. Die Resultate dieser zwei Projekte demonstrieren, wie EKG-Simulationen zur Entwicklung und Verbesserung von EKG-Signalverarbeitungsmethoden eingesetzt werden und bei der Diagnosefindung helfen können. Zudem zeigt sich das Potential der Kombination von Simulationen und CNNs, um einerseits die zumeist raren klinischen Signale zu ersetzen und andererseits Modelle zu finden, die für mehrere Patienten/-innen gültig sind. Die vorgestellten Methoden bergen die Möglichkeit, die Diagnosestellungen zu beschleunigen und mit hoher Wahrscheinlichkeit den Therapieerfolg der Patienten zu verbessern.