| Abstract | Considering the fact that almost complete electrocardiographic diagnostic knowledge is accumulated and described on the basis of the 12-lead electrocardiogram (ECG), it is a favorable characteristic of any system with a reduced number of leads to be able to synthesize the 12-lead ECG. In order to obtain the best synthesis, the measuring sites and transformation parameters both have to be personalized, because every human body has unique anatomy and anthropometric measures. This thesis proposes a new approach for synthesizing the standard 12-lead ECGs, and multichannel ECGs, from three bipolar leads formed by pairs of proximal electrodes on the body surface that that are called differential leads. The differential leads are aimed to be measured by modern devices named wireless electrodes, but they can also be measured by some other devices, e.g. devices that employ smart textiles. Wireless electrodes are lightweight and practical devices that enable the minimal use of wires on the body, which in turn simplifies and improves the acquisition of ECGs. The thesis shows that the optimal number of differential leads to be used for practical applications is three. The new algorithm developed by the research covered with this thesis, searches for optimal personalized differential leads and the corresponding personalized transformation matrix, that is used to synthesize the standard 12-lead ECG or a multichannel ECG, for each person. In addition to the personalized approach, the thesis presents procedures for the other two synthesis approaches: universal and combined. The evaluation results show that the personalized approach significantly outperforms standard EASI system 12-lead ECG synthesis, in terms of the correlation coefficient and the root mean square distance. Additional evaluations by applying features comparison and diagnostic rules, show that wireless electrodes are an acceptable alternative to the standard 12-lead ECG device for patients with chronic myocardial ischemia, if either the fully personalized or combined approach is used. The median correlation coefficients between the synthesized and target 12-lead ECGs are all higher than 0.94 and 0.92 for the fully personalized and combined approaches respectively. The corresponding kappa and percentual diagnostic agreements are 0.88 (95%) and 0.83 (92%), respectively. The evaluations additionally show that the personalization of the transformations has more impact on the quality of the synthesized ECGs than the personalization of the wireless electrodes’ positions. Considering all the conducted evaluations of the synthesized 12-lead ECGs and synthesized multichannel ECGs, it may be concluded that the 12-lead ECG system derived from differential leads is a viable option that can simplify and ease the ECG acquisition, and improve the outpatient and inpatient monitoring. |
| Abstract (croatian) | S obzirom da je skoro kompletno elektrokardiografsko dijagnostičko znanje akumulirano i objašnjeno na osnovu 12-kanalnog elektrokardiograma (EKG-a), poželjna je karakteristika svakog sustava s reduciranim brojem odvoda da se iz njega može sintetizirati 12-kanalni EKG. S obzirom da ljudsko tijelo ima jedinstvenu anatomiju i antropometrijske mjere, da bi se postigla što bolja sinteza potrebno je personalizirati i mjerne točke i transformacijske parametre EKG sustava s reduciranim brojem odvoda iz kojeg se sintetizira 12-kanalni EKG. U sklopu ove disertacije razvijen je i predložen novi pristup prema sintezi 12-kanalnog i multikanalnog EKG-a iz bipolarnih odvoda koji se formiraju iz parova bliskih elektroda na površini tijela. Takvi bipolarni odvodi nazvani su diferencijalni odvodi. Njihova izvorna namjena je da ih se mjeri s modernim uređajima koji se nazivaju „bežične elektrode“, ali mogu biti mjereni i s drugim uređajima kao što su na primjer uređaji koji koriste „pametne tekstile“. Bežične elektrode su lagani i praktični uređaji koji omogućavaju minimalnu upotrebu žica, te na taj način unaprjeđuju i pojednostavljuju akviziciju EKG-a. Ova disertacija pokazuje da je tri optimalan broj diferencijalnih odvoda za praktične primjene. Novi algoritam razvijen u sklopu ove disertacije pronalazi optimalne personalizirane pozicije diferencijalnih odvoda, te pripadajuću linearnu transformaciju koja sintetizira standardni 12-kanalni EKG, ili multikanalni EKG za svaku osobu. Uz personalizirani pristup sintezi disertacija također specificira i procedure za ostala dva pristupa sintezi: univerzalni i kombinirani. Evaluacija sintetiziranih EKG-ova upotrebom korelacijskog koeficijenta i srednje kvadratne udaljenosti, pokazuje da personalizirani pristup sintezi značajno nadmašuje sintetizirane 12-kanalne EKG-ove dobivene upotrebom EASI sustava odvoda. Dodatna evaluacija korištenjem usporedbe karakteristika EKG signala i korištenjem dijagnostičkog pravila, pokazuje da su bežične elektrode prihvatljiva alternativa standardnom 12-kanalnom EKG uređaju za pacijente s dijagnozom ishemije miokarda, ako se za sintezu koristi personalizirani ili kombinirani pristup. Pokazuje se da su medijani korelacijskih koeficijenata između sintetiziranih i ciljnih (mjerenih) EKG-ova svi veći od 0.94 za personalizirani pristup, te veći od 0.92 za kombinirani pristup sintezi. Pripadajuća kappa i postotna podudaranja u dijagnozi su 0.88 (95%) za personalizirani pristup, te 0.83 (92%) za kombinirani pristup sintezi. Evaluacija dodatno pokazuje da personalizacija transformacije utječe više na kvalitetu sintetiziranog EKG-a nego personalizacija pozicija bežičnih elektroda. U uvodnom poglavlju dan je opis i klasifikacija elektrokardiografskih sustava te je sustav diferencijalnih odvoda stavljen u kontekst današnje elektrokardiografije. U nastavku uvodnog poglavlja opisane su teoretske osnove elektrokardiografskih sustava te osnovne teorije sinteze elektrokardiografskih odvoda. Ostatak uvodnog poglavlja posvećen je metodama sinteze odvoda, a te su metode i teoretski potkrijepljene. Također su opisane i standardne metode evaluacije algoritama sinteze, a priložena je i usporedba različitih pristupa sintezi EKG-a. Nakon uvodnog poglavlja slijedi poglavlje s specifikacijom ciljeva i hipoteza ove disertacije. U nastavku je dan pregled radova i istraživanja iz područja izvedenih EKG sustava, tj. reduciranih sustava odvoda iz kojih se sintetizira 12-kanalni EKG. Pri tome su postojeći sustavi s reduciranim skupom odvoda, tj. sustavi koji koriste manje od osam nezavisnih odvoda, klasificirani prema tipu odvoda koje koriste, a u isto vrijeme su i poredani kronološki. Slijedi poglavlje s opisom materijala i metoda korištenih u istraživanjima pokrenutim u sklopu ove disertacije. Opisana su korištena multikanalna mjerenja, njihova inicijalna obrada i filtriranje, te metodologija prikupljanja i provođenja mjerenja. Nakon toga slijedi opis algoritama i metoda razvijenih i otkrivenih u sklopu istraživanja koja su napravljena u sklopu ove disertacije. Matematički su definirani potrebni pojmovi i diferencijalni odvodi. Zatim je opisan sam novi algoritam za izabir personaliziranih diferencijalnih odvoda. Nakon toga je opisna i metodologija koja je korištena za univerzalnu i kombiniranu sintezu 12-kanalnih, ali i multikanalnih EKG-ova. Navedene su i specifičnosti evaluacijskih metoda korištenih u sklopu ovog istraživanja. Nakon poglavlja s metodama slijedi poglavlje koje opisuje rezultate obavljenih istraživanja. Prvo su navedeni višestruki rezultati koji zajedno pokazuju da je optimalan broj diferencijalnih odvoda tri. Nakon toga slijedi potpoglavlje koji pokazuje rezultate primjene novog algoritma izbora diferencijalnih odvoda i sinteze EKG-a. Nakon toga je u zasebnim odjeljcima dan pregled rezultata evaluacija sintetiziranih EKG-ova. Poglavlje završava s opisom novo-razvijene metode prijenosa mjerenih diferencijalnih odvoda na napredni mobilni telefon ili osobno računalo, te s opisom uloge sintetiziranih EKG-ova, dobivenih iz diferencijalnih odvoda, u konceptualnom sistemu za udaljeno praćenje vitalnih funkcija čovjeka. Nakon toga slijedi poglavlje u kojem se diskutira o osnovnim hipotezama, rezultatima, i ograničenjima provedenih istraživanja. Prvo se analizira novi algoritam i njegova upotrebljivost. Zatim slijedi potpoglavlje koji razmatra karakteristike diferencijalnih odvoda te diskutira o upotrjebljenom broju diferencijalnih odvoda. U trećem potpoglavlju ovog poglavlja agregiraju se svi rezultati dobiveni evaluacijama, a poglavlje završava s analizom buduće upotrebljivosti i korisnosti novog algoritma i odvoda u zdravstvenoj zaštiti. Disertacija završava s zaključnim poglavljem u kojem su navedeni zaključci disertacije i osvrt prema ciljevima koji su bili predviđeni istraživanjem. Zaključeno je da su svi zacrtani ciljevi istraživanja ostvareni te da je istraživanje doprinijelo istinitosti postavljenih hipoteza. Kad se uzmu u obzir sve provedene evaluacije sintetiziranih 12-kanalnih i multikanalnih EKG-ova, može se zaključiti da sustav koji sintetizirana 12-kanalni EKG iz tri diferencijalna odvoda je upotrebljiv i može unaprijediti elektrokardiografiju u budućnosti, te također da može unaprijediti bolničko i vanbolničko praćenje pacijenata. |
