Sistema de electrocardiografía ambulatoria para el análisis de la variabilidad de los intervalos de repolarización ventricular del ECG en la progresión de la enfermedad renal crónica en pacientes diabéticos e hipertensos

(English) Chronic kidney disease is considered a risk factor for the development of cardiovascular disease because it is one of the main complications of diabetes mellitus and arterial hypertension, which are themselves considered cardiovascular risk factors. Therefore, it is important to periodically evaluate renal function in at-risk groups, such as diabetic and hypertensive patients or those with cardiovascular disease. In this doctoral thesis, six parameters of ECG ventricular activity are proposed to assess the progression of renal damage in diabetic subjects, with and without hypertension and hemodialysis treatment. To obtain ECG recordings from subjects and patients, a low-power, long-duration ambulatory monitor was developed for the simultaneous acquisition of three ECG leads. This monitor incorporates an algorithm that uses the continuous wavelet transform (CWT) to measure heart rate beat-by-beat in real-time. It has a CMRR greater than 80 dB at 60 Hz, a bandwidth of 0 to 150 Hz, a sampling rate of 1 kHz, and a current consumption of 50 mA, resulting in an average battery life of 84 hours. The monitor also detects false electrode contacts, stores data on a microSD memory card, and includes a user interface that facilitates interaction with the device. Specific PC software was developed for reading, storing, visualizing, and analyzing ECG records, as well as managing the patient's personal information. A SQL Server database was implemented to manage the records, corresponding analysis results, and patient data. The software uses Microsoft Excel files for the exchange of input and output information, with formats that are easy to create and interpret in other software development applications. The software algorithms employ CWT and are robust against the presence of noise, artifacts, and baseline drifts in the recording. These algorithms include detection and classification of T waves and QRS complexes, adaptation to changes in heart rate, and interval calculation. The algorithms work with CWT using B-spline basis functions, allowing them to handle any integer scale and ensuring that the analysis is not restricted to scales that are powers of two. The software enables the analysis of ECG recordings with different sampling rates by automatically selecting the CWT scale. The QRS complex detector, evaluated with the MIT-BIH, ST-T, and QT databases, achieved excellent performance with a sensitivity and positive predictivity of 99% from a total of 986,467 QRS complexes analyzed. For the QRS complex and T-wave characteristic point delineator, evaluated with the CSE, PTB, and QT databases, the errors at the Qi, J, and Te points were within the tolerance limits for deviations with respect to the manual measurements by CSE experts. For the Tp point, compared to another similar algorithm, the deviation was 1 sample (4 ms). According to these results, the developed algorithms allow reliable measurement of ECG ventricular activity intervals. For the analysis of the progression of renal damage in diabetic patients with and without hypertension and hemodialysis treatment, ECG records from the following databases of diabetic patients were used: GE-71, GE-75, and HR-48H. To analyze the five stages of diabetic nephropathy, three groups of diabetic patient records were created from the above databases: 39 patients without hypertension and without hemodialysis (DSH_SH), 22 patients with hypertension and without hemodialysis (DH_SH), and 20 patients with hypertension and hemodialysis (DH_CH). The proposed parameters representing ECG ventricular activity and heart rate are: the intervals (QpTe)c, (RTp)c, and (SpTp)c, and the ratios TpQp/RR, TpSp/RR, and RTe/TeR, which relate to two consecutive beats of the cardiac cycle. These parameters cover the five stages of diabetic nephropathy and enable the evaluation of the progression of renal damage in diabetic patients with and without hypertension and hemodialysis. (Català) La malaltia renal crònica és considerada com un factor de risc per al desenvolupament de malaltia cardiovascular, ja que és una de les principals complicacions de la diabetis mellitus i la hipertensió arterial, que són considerades com a factors de risc cardiovascular. Per això, és important avaluar periòdicament la funció renal en grups de risc de pacients diabètics, hipertensos o amb malaltia cardiovascular. En aquesta tesi doctoral, es proposen sis paràmetres de l'activitat ventricular de l'ECG per avaluar la progressió del dany renal en persones diabètiques amb i sense hipertensió i tractament d'hemodiàlisi. Per obtenir registres d'ECG de subjectes i pacients, es va desenvolupar un monitor ambulatori de baix consum i llarga durada per a l'adquisició simultània de tres derivacions de l'ECG, que incorpora un algoritme basat en la transformada wavelet contínua (TWC) per mesurar la freqüència cardíaca batec a batec en temps real. Té un CMRR major a 80 dB a 60 Hz, un ample de banda de 0 a 150 Hz, una freqüència de mostreig de 1 kHz, un consum de corrent de 50 mA per una durada mitjana de la bateria de 84 h. També detecta falsos contactes d'elèctrodes, emmagatzema les dades en una memòria microSD i té una interfície d'usuari que facilita la interacció amb el monitor.Per a la lectura, emmagatzematge, visualització i anàlisi dels registres d'ECG, a més de la informació personal del pacient, es va desenvolupar un programari específic per a ordinador personal. Per a la gestió de registres, els resultats de l'anàlisi corresponent i les dades dels pacients, es va implementar una base de dades en SQL Server. El programari utilitza arxius de Microsoft Excel per a l'intercanvi d'informació d'entrada i sortida amb formats de fàcil creació i interpretació en altres aplicacions de desenvolupament de programari. Els algoritmes del programari basats en la TWC, són robustos davant la presència de soroll, artefactes i derives de la línia de base en el registre, incloent-hi la detecció i classificació de les ones T i els complexos QRS, adaptació a canvis en la freqüència cardíaca i el càlcul dels intervals. Aquests algoritmes basats en la TWC utilitzen funcions de base B-splines, per la qual cosa poden manejar qualsevol escala entera i l'anàlisi no està restringit a escales que siguin potències de dos. El programari permet l'anàlisi de registres d'ECG amb diferents freqüències de mostreig mitjançant la selecció automàtica de l'escala de la TWC. El detector del complex QRS avaluat amb les bases de dades MIT-BIH, ST-T i QT, va obtenir un rendiment excel·lent amb una sensibilitat i predictivitat positiva del 99% d'un total de 986,467 complexos QRS analitzats. Per al delineador dels punts característics del complex QRS i ona T avaluat amb les bases de dades CSE, PTB i QT, els errors en els punts Qi, J i Te estan dins dels límits de tolerància per a desviacions respecte a la mesura manual dels experts de la CSE. Per al punt Tp, comparat amb un altre algoritme similar, la desviació va ser d'1 mostra (4 ms). D'acord amb aquests resultats, els algoritmes desenvolupats permeten una mesura fiable dels intervals d'activitat ventricular de l'ECG.Per a l'anàlisi de la progressió del dany renal en pacients diabètics amb i sense hipertensió i tractament d'hemodiàlisi, s'han utilitzat registres d'ECG de les següents bases de dades de pacients diabètics: GE-71, GE-75 i HR-48H. Per analitzar les 5 etapes de la nefropatia diabètica, de les 3 bases de dades anteriors, es van crear 3 grups de registres de pacients diabètics: 39 pacients sense Hipertensió i sense Hemodiàlisi (DSH_SH), 22 pacients amb Hipertensió i sense Hemodiàlisi (DH_SH) i 20 pacients amb Hipertensió i amb Hemodiàlisi (DH_CH). Els paràmetres proposats que representen l'activitat ventricular de l'ECG i de la freqüència cardíaca són: els intervals (QpTe)c, (RTp)c i (SpTp)c, i les ràtios TpQp/RR, TpSp/RR i RTe/TeR que relacionen dos batecs consecutius del cicle cardíac. (Español) La enfermedad renal crónica es considerada como un factor de riesgo para el desarrollo de enfermedad cardiovascular, debido a que es una de las principales complicaciones de la diabetes mellitus y la hipertensión arterial que son consideradas como factores de riesgo cardiovascular. Por ello, es importante evaluar periódicamente la función renal en grupos de riesgo de pacientes diabéticos, hipertensos o con enfermedad cardiovascular. En esta tesis doctoral, se proponen seis parámetros de la actividad ventricular del ECG para evaluar la progresión del daño renal en personas diabéticas con y sin: hipertensión y tratamiento de hemodiálisis. Para obtener registros de ECG de sujetos y pacientes, se desarrolló un monitor ambulatorio de bajo consumo y larga duración para la adquisición simultánea de tres derivaciones del ECG que incorpora un algoritmo basado en la transformada wavelet continua (TWC) para medir la frecuencia cardíaca latido a latido en tiempo real. Tiene un CMRR mayor a 80 dB en 60 Hz, un ancho de banda de 0 a 150 Hz, una frecuencia de muestreo de 1 kHz, un consumo de corriente de 50 mA para una duración promedio de la batería de 84 h. También detecta falsos contactos de electrodos, almacena los datos en una memoria microSD y tiene una interfaz de usuario que facilita la interacción con el monitor. Para la lectura, almacenamiento, visualización y análisis de los registros de ECG, además de la información personal del paciente, se desarrolló un software específico para computadora personal. Para la gestión de registros, los resultados del análisis correspondiente y los datos de los pacientes, se implementó una base de datos en SQL Server. El software utiliza archivos de Microsoft Excel para el intercambio de información de entrada y salida con formatos de fácil creación e interpretación en otras aplicaciones de desarrollo de software. Los algoritmos del software basados en la TWC, son robustos frente a la presencia de ruido, artefactos y derivas de la línea de base en el registro, incluyendo la detección y clasificación de las ondas T y los complejos QRS, adaptación a cambios en la frecuencia cardíaca y el cálculo de los intervalos. Estos algoritmos basados en la TWC utilizan funciones de base B-splines, por lo que pueden manejar cualquier escala entera y el análisis no está restringido a escalas que sean potencias de dos. El software permite el análisis de registros de ECG con diferentes frecuencias de muestreo mediante la selección automática de la escala de la TWC. El detector del complejo QRS evaluado con las bases de datos MIT-BIH, ST-T y QT, obtuvo un rendimiento excelente con una sensibilidad y predictividad positiva del 99% de un total de 986,467 complejos QRS analizados. Para el delineador de los puntos característicos del complejo QRS y onda T evaluado con las bases de datos CSE, PTB y QT, los errores en los puntos Qi, J y Te están dentro de los límites de tolerancia para desviaciones con respecto a la medición manual de los expertos de la CSE. Para el punto Tp, comparado con otro algoritmo similar la desviación fue de 1 muestra (4 ms). De acuerdo a estos resultados, los algoritmos desarrollados permiten una medición confiable de los intervalos de actividad ventricular del ECG. Para el análisis de la progresión del daño renal en pacientes diabéticos con y sin: hipertensión y tratamiento de hemodiálisis, se han utilizado registros de ECG de las siguientes bases de datos de pacientes diabéticos: CV-DB, CPCD-DB y ESRD-HD. Para analizar las 5 etapas de la nefropatía diabética, de las 3 bases de datos anteriores, se crearon 3 grupos de registros de pacientes diabéticos: 39 pacientes sin Hipertensión y Hemodiálisis (DSH_SH), 22 pacientes con Hipertensión y sin Hemodiálisis (DH_SH) y 20 pacientes con Hipertensión y con Hemodiálisis (DH_CH). Los parámetros propuestos que representan la actividad ventricular del ECG y de la frecuencia cardíaca son: los intervalos (QpTe)c, (RTp)c y (SpTp)c, y los cocientes TpQp/R