TAZ-TFM-2010-046

Estimación de la frecuencia respiratoria mediante análisis tiempo-frecuencia de la señal de variabilidad del ritmo cardiaco en condiciones no estacionarias

Cirugeda Roldán, Eva María
Bailón Luesma, Raquel (dir.)

Universidad de Zaragoza, CPS, 2010
Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones, Área de Teoría de la Señal y Comunicaciones

Máster Universitario en Ingeniería Biomédica

Resumen: La influencia de la respiración sobre la señal electrocardiográfica (ECG) se manifiesta tanto en variaciones morfológicas de la misma como en una modulación del ritmo cardíaco, conocida como arritmia sinusal respiratoria (RSA), por lo que medidas basadas en el ECG pueden, de forma indirecta, proveer información de la respiración, que resulta de especial interés cuando el registro de la señal respiratoria es inviable o incómodo para el paciente. El objetivo de este trabajo fin de máster (TFM) es estimar la frecuencia respiratoria a partir del estudio tiempo-frecuencia (TF) de la señal de variabilidad del ritmo cardíaco (HRV) en condiciones no estacionarias. La recuencia respiratoria se estima como la componente de alta frecuencia (HF) de la HRV, que, a su vez es estimada mediante la localización para cada instante de tiempo del pico máximo de la distribución pseudo Wigner-Ville suavizada (SPWVD) de la HRV en la banda de HF. El método desarrollado en éste TFM utilizada para el cálculo de la SPWVD ventanas de filtrado frecuencial de longitud variable con el fin de minimizar el error cuadrático medio (MSE) de estimación de la frecuencia, en especial cuando las variaciones de ésta son no lineales. La longitud óptima de la ventana de filtrado frecuencial para cada instante de tiempo depende tanto de las variaciones de la frecuencia a estimar, como de la amplitud la componente de HF y del ruido presente en la señal, que es necesario estimar. En condiciones no estacionarias, no solo la frecuencia sino también la amplitud de la componente HF y el ruido pueden variar, por lo que se ha desarrollado un estimador de la amplitud instantánea de la componente HF a partir de la SPWVD con eliminación de la influencia de los filtrados temporal y frecuencial. También se ha desarrollado un estimador de la potencia instantánea del ruido presente en la señal que incluye los errores de estimación de la amplitud instantánea. Para el cálculo de la SPWVD se han utilizado diferentes kernels de filtrado tiempo-frecuencia formados por tres tipos de ventanas, rectangular, Hamming y exponencial, tanto en tiempo como en frecuencia. La evaluación del método se ha realizado tanto a través de un estudio de simulación, en el que se han generado señales con características tiempo-frecuencia similares a las de la HRV, variaciones no lineales de frecuencia y amplitudes variantes en el tiempo, como a través del análisis de una base de datos, que consta del registro simultáneo de la señales ECG y respiratorias de 58 sujetos sometidos a la escucha de diferentes estímulos musicales. El método propuesto en este TFM estima la amplitud instantánea de la componente de HF de la HRV sobre la señales simuladas con un error medio de 0.324±2.294% y su frecuencia con un error medio de -0.239±2.041% (-0.008±6.026 mHz). La estimación de la frecuencia respiratoria en señales reales presenta un error mediano de -1.525±4.557% (1.953±4.883 mHz) en los segmentos musicales y de -0.919±6.542% (11.465±43.477 mHz) en las transiciones entre segmentos musicales. Finalmente el método desarrollado en este TFM ha sido comparado con otros existentes en la literatura, basados en ventanas de filtrado frecuencial tanto de longitud fija como variable para amplitudes constantes.