1. Introducción
El electrocardiograma (ECG) se ha convertido, por su sencillez y bajo coste, en una de las técnicas de diagnóstico médico más utilizadas. En el estudio del electrocardiograma existen diversas líneas de investigación. Una de ellas, que es donde se encuentra enmarcado este trabajo, es la electrocardiografía de alta resolución.
La electrocardiografía de alta resolución (HRECG) es una técnica que permite la detección y el análisis de señales cardíacas de baja amplitud, micropotenciales, que no pueden ser detectadas en la superficie del cuerpo con las técnicas de medida habituales.
El interés por la HRECG surgió a principios de la década de los 70, con el objetivo de detectar la actividad eléctrica del sistema de His-Purkinje de forma no invasiva. Más adelante fueron descubiertas otras zonas o intervalos del ECG donde aparecían micropotenciales relacionados con zonas concretas del corazón y/o determinados estados o patologías. Así podemos clasificar los diferentes micropotenciales del ECG en:
Potenciales auriculares tardíos (PAT) Actividad del haz de His y fibras de Purkinje Muescas o melladuras en el QRS
Potenciales ventriculares tardíos (PVT)
Todas estas señales tienen en común su baja amplitud, entre 1 µV y 40 µV, cuando son registradas en la superficie del cuerpo, y un ancho de banda comprendido entre 25 Hz y 500 Hz. Debido a su pequeña amplitud en comparación al ECG convencional, 1 mV, y a las fuentes de ruido presentes en la medida, estas señales quedan enmascaradas.
Una primera alternativa al problema de registro de estas señales es la utilización de técnicas invasivas a través de electrodos intracardíacos o mapas epicardiales. La proximidad del
electrodo a la fuente de señal hace que la amplitud de las señales sea mucho mayor. Sin embargo, estas técnicas comportan un claro riesgo para el paciente, lo que imposibilita a veces su aplicación, y tienen un elevado coste.
La utilización de vías naturales para conseguir la mínima distancia entre electrodos y la fuente de señal, en este caso el corazón, llevó a algunos autores a plantearse la posibilidad de utilizar la vía esofágica (Arzbaecher et al., 1977). Se trata de una técnica no invasiva puesto que no hay un contacto directo con el corazón. La pared esofágica actúa como un barrera protectora o aislante, y el riesgo de lesión directa y microchoque son mínimos.
La proximidad del esófago al corazón y el alejamiento de una de las principales fuentes de ruido en electrocardiografía, el electromiograma, hacen que el electrocardiograma esofágico, eECG, sea una técnica a considerar en HRECG. Así mismo, la proximidad entre los dos electrodos de medida permite reducir otra de las fuentes habituales de ruido, las interferencias debidas a la red eléctrica. Sin embargo, la inestabilidad de la señal junto con los artefactos provocados por el latido cardíaco y movimientos peristálticos del esófago han hecho desestimar la utilización del eECG como una técnica de diagnóstico rutinaria (Berbari et al., 1986).
La presencia de potenciales auriculares tardíos en la superficie del cuerpo, PAT, puede considerarse como factor de riesgo de fibrilación auricular paroxística (Fukunami et al., 1991). La técnica más utilizada para la detección de estos micropotenciales es el promediado síncrono del ECG con la onda P. La reducción en la potencia de ruido que se obtiene en este caso es proporcional al inverso del número de latidos promediados. No obstante, esto es válido siempre que el ruido y la señal estén incorrelados y el ruido sea un proceso estacionario (Berbari, 1988). La dificultad en la detección del punto de sincronismo viene agravada por la baja amplitud de la onda P y por su morfología. La presencia de ruido en el ECG hace que aparezca un error temporal en la estimación del punto de sincronismo, punto fiducial. Ello conlleva un empeoramiento en la mejora de la relación señal a ruido con respecto al límite teórico y una degradación de las características frecuenciales de la señal (Rompelman y Ros, 1986) .
La utilización del eECG permitiría reducir la incertidumbre en la estimación del punto fiducial para el promediado del la señal superficial, (Saki et al., 1991), e incluso la detección latido a latido de los PAT en el eECG.
1.1 La electrocardiografía de alta resolución
Las primeras referencias a la electrocardiografía de alta resolución, HRECG, aparecen en la bibliografía a finales de los 70. Cranefield y Hoffman (1968), afirmaron que el electrocardiograma convencional aportaba poca información sobre la actividad eléctrica del corazón. Así por ejemplo, el ECG obtenido sobre la superficie del cuerpo con las técnicas habituales no ofrece información sobre la actividad del nodo sinoauricular (SA), ni sobre la propagación del impulso eléctrico originado en el nodo SA hacia la aurícula y el nodo auriculoventricular. Durante estos años se iniciaron los primeros estudios sobre electrocardiografía del haz de His y defectos de conducción auriculo-ventricular e intraventricular mediante técnicas invasivas. Al mismo tiempo, el desarrollo de técnicas electrofisiológicas no invasivas permitió su aplicación en el campo de la electrocardiografía de alta resolución. Por ejemplo, el promediado de señal, una de las primeras técnicas utilizadas en HRECG, fue utilizado en neurología con cierto éxito para obtener señales encefalográficas a partir de una señal totalmente enmascarada por el ruido (Ruchkin, 1965).
La primera aplicación de HRECG fueron los estudios del sistema de His-Purkinje. Berbari et al., (1973) obtuvieron la actividad eléctrica del haz de His mediante promediado en la superficie del cuerpo. La señal de sincronismo utilizada proviene de un catéter situado en el corazón.
Al mismo tiempo, otros grupos de investigadores aunaban sus esfuerzos para registrar micropotenciales cardíacos mediante técnicas de HRECG. En los 50 y 60, N. Flowers y P. Langner habían descubierto la aparición esporádica de señales de alta frecuencia en registros sobre papel obtenidos en condiciones de muy bajo ruido.
La segunda aplicación que se le dio a la HRECG fue la detección de potenciales ventriculares tardíos, (Berbari, 1988) . Estas señales aparecen después de la despolarización del ventrículo, el complejo QRS, y no pueden ser registradas con electrocardiógrafos estándar. Su origen está en las zonas del tejido muscular del miocardio dañadas.
El registro de potenciales tardíos se inició con la investigación animal en laboratorio a principios de la década de los 70. Waldo y Kaiser (1973) y Scherlag et al. (1974) relacionaron la aparición de potenciales ventriculares tardíos en la superficie del corazón de perros con las arritmias ventriculares. Más adelante, Berbari et al. (1978) aplicaron las técnicas de promediado en los registros con potenciales ventriculares tardíos, PVT, obtenidos sobre la superficie del tórax, y establecieron así la importancia de los PVT como marcadores de arritmias reentrantes.
Los simposios internacionales celebrados en 1981 en Niza y Colonia ayudaron a reconocer la utilidad de la HRECG en el registro de señales de baja amplitud generadas por el
corazón bajo determinadas condiciones fisiológicas y patológicas. De estas sesiones surgió un claro interés clínico en los potenciales ventriculares tardíos, VLP, que podían ser detectados mediante promediado de señal o bien con técnicas de detección latido a latido. Sin embargo, no se llegó a un acuerdo sobre qué derivaciones eran mejores para la detección, ni la frecuencia de muestreo de las señales o las técnicas de promediado a emplear, ni en la validación de las señales obtenidas.
El avance más importante que se dio en los PVT fue el trabajo de Simson (1981), que estableció criterios cuantitativos para identificar pacientes con infarto de miocardio con riesgo de padecer taquicardias ventriculares. Su método se basó en la elección de un filtro bidireccional aplicado a tres derivaciones ortogonales, XYZ, así como la combinación de estas tres en un vector magnitud. La duración del complejo QRS en el vector magnitud y el valor eficaz de la señal en los últimos 40 ms del QRS permitía identificar pacientes con taquicardias ventriculares sostenidas o inducidas.
La aplicación de la electrocardiografía de alta resolución para el registro de potenciales ventriculares tardíos ha despertado un interés creciente en los últimos años debido a su utilidad en la predicción del riesgo de futuros episodios de arritmia en pacientes con infarto de miocardio.
1.2 Los potenciales auriculares tardíos
Al igual que el estudio de los PVT se emplea para valorar el riesgo de taquicardia ventricular o muerte súbita, las técnicas de promediado de señal pueden utilizarse para estudiar la onda P y la determinación del riesgo de padecer arritmias auriculares. A diferencia de los PVT, que son más acentuados y frecuentes en pacientes con taquicardia ventricular, los potenciales auriculares tardíos suelen detectarse con mayor frecuencia en pacientes con fibrilación auricular paroxística que en pacientes con taquicardia auricular.
La fibrilación auricular es una de las arritmias más frecuentes que se dan en cardiología. Aunque su aparición no conlleva un riesgo inminente para el paciente, episodios prolongados pueden llegar a ser peligrosos y degenerar en fibrilación auricular crónica. En pacientes con periodos de fibrilación mayores de 48 horas existe el riesgo de accidente vascular embólico (Auriti et al., 1996; García et al., 1994).
La causa de estas arritmias puede ser la presencia de múltiples caminos reentrantes en la propagación del impulso eléctrico en la aurícula (Jansen, 1997). El origen de estos potenciales no está claro del todo. Estudios invasivos han mostrado un incremento en el retardo de conducción y fragmentación del impulso eléctrico en la aurícula en pacientes con fibrilación
auricular paroxística. Las causas anatómicas de esta fragmentación se han atribuido a la degeneración de la pared auricular con pérdida de miofibras, infartos auriculares y estrechamiento de la pared auricular (Davis y Pomerance, 1972).
La prolongación de la conducción auricular da lugar a una mayor duración de la onda P en las derivaciones superficiales, y la fragmentación a la presencia de señales de baja amplitud y alta frecuencia, (Seifert y Josephson, 1993).
Los resultados encontrados en la bibliografía son diversos y no permiten, por ahora, establecer criterios cuantitativos para la detección de potenciales auriculares tardíos.
Uno de los primeros estudios de los PAT fue realizado por Engel et al. (1988). Los autores proponen la utilización de las mismas técnicas de promediado empleadas para el estudio de PVT en la detección de potenciales auriculares tardíos de alta frecuencia, en pacientes con riesgo de fibrilación auricular paroxística o flutter (aleteo) auricular. No obstante, los resultados obtenidos no permitieron el diagnóstico del riesgo fibrilación auricular. La incertidumbre temporal entre los potenciales a detectar y la señal de sincronismo utilizada, el complejo QRS, introduce un efecto de filtrado paso bajo en el promediado.
La utilización de la onda P como señal de sincronismo permitió a Fukunami et al. (1991) detectar el riesgo de fibrilación auricular paroxística a partir de dos parámetros de la señal promediada. La duración total de la onda P junto con el valor eficaz de la señal en los últimos 20 ms son el mejor clasificador según dichos autores. Así mismo, afirman que la presencia de enfermedades cardíacas orgánicas no afecta en gran medida a los resultados, aunque permite mejorar la exactitud del método. Resultados similares fueron obtenidos por Stafford et al. (1991), que observaron un incremento en el contenido de energía por encima de los 40 Hz en la fase terminal de la onda P. Steinberg et al. (1993) realizaron un estudio para la predicción de fibrilación auricular después de una intervención cardíaca. Sus resultados indicaron que un incremento en la duración de la onda P mayor de 140 ms llevaba asociada una probabilidad casi cuatro veces mayor de padecer una fibrilación auricular después de la operación.
Yamada et al. (1992) hicieron un estudio para caracterizar el contenido frecuencial de la onda P en pacientes con fibrilación auricular paroxística. Los resultados no fueron concluyentes pero permiten afirmar que los pacientes con riesgo de padecer fibrilación auricular presentan mayor contenido espectral en la banda de 20 Hz a 50 Hz.
Recientemente han aparecido nuevos estudios sobre potenciales auriculares. Banasiak et al. (1996) intentaron establecer una relación entre el tiempo transcurrido desde que se produce una isquemia en el miocardio y la aparición de micropotenciales en pacientes con riesgo de padecer fibrilación auricular. En los pacientes con isquemia de duración superior a un año, los indicadores en el dominio temporal de riesgo de fibrilación auricular son la duración de
la onda P filtrada, entre 40 Hz y 300 Hz, y el valor eficaz de los últimos 10 ms de señal. En el dominio frecuencial obtienen que la atenuación a 40 Hz en el contenido frecuencial es un buen indicador. Para pacientes con isquemias diagnosticadas recientemente, menos de un año, no se aprecian diferencias significativas en los parámetros temporales ni frecuenciales.
La prolongación de la onda P, como se ha visto, puede ser un indicador del riesgo padecer una fibrilación auricular. Sin embargo, ésta puede verse alterada por otros factores. Así por ejemplo, se ha encontrado una prolongación en la duración de la onda P en pacientes con hipertensión (Auriti et al. 1996). La prolongación es más evidente cuando existe un historial de fibrilación auricular paroxística y también puede relacionarse con el riesgo de recurrencia de otro episodio de fibrilación.
1.3 El ECG esofágico
El registro del ECG en el esófago no es una técnica reciente. Las primeras medidas del ECG esofágico fueron realizadas a principios de siglo por Cremer (1906), y más tarde por Brown (1936). En los años 50 la técnica para la obtención del ECG esofágico fue mejorada y empleada simultáneamente con las derivaciones superficiales (Kistin y Bruce, 1957; Copeland et al., 1959). Sin embargo, la electrocardiografía esofágica no se ha convertido en una procedimiento clínico rutinario debido a las molestias que ocasiona en el paciente la intubación nasal u oral. En los 70 se introdujeron los electrodos bipolares para el registro del ECG esofágico (Arzbaecher et al., 1977), de más fácil colocación y mínimas molestias para el paciente.
La principal aplicación de ECG esofágico ha sido el análisis de arritmias auriculares, estudios de conducción A-V y estimulación auricular (Jenkins et al., 1979; Nollo et al. 1991; Jadvar et al., 1991). En 1977, Hombach et al. (1977) publicaron un trabajo sobre la obtención de la señal del haz de His mediante la utilización de un electrodo nasogástrico en un derivación esofágica unipolar. Berbari et al. (1986) analizaron la derivación esofágica, utilizando un electrodo bipolar de píldora, propuesto por Arzbaecher (1978), en la detección de la señal del haz de His. Los resultados obtenidos por Berbari mostraban una mayor variancia en algunos registros de las derivaciones esofágicas además de inestabilidad en las señales del haz de His debidos a la movilidad del electrodo. Sin embargo, resultados posteriores (Ramos 1992, Ramos et al. 1993a, Ramos et al. 1993b, Vargas et al. 1993) han demostrado que si bien la inestabilidad de la señal puede ser mayor en algunos registros, el nivel de ruido e interferencia es mucho menor en las derivaciones esofágicas. Esto hace innecesario promediar tantos latidos para la reducción del ruido.
Trabajos recientes (Villani et al., 1994) muestran el interés de la via esofágica en el estudio de los potenciales auriculares tardíos mediante una derivación esofágica. Con ella y dos superficiales obtienen el vector cardíaco. Sin embargo, no ha sido propuesta aún para el estudio de los potenciales auriculares tardíos la utilización de una derivación esofágica única, que presenta un nivel de ruido mucho menor.
1.4 Métodos de detección de micropotenciales
El análisis de los micropotenciales en el dominio temporal no es la única línea de trabajo seguida hasta el momento ni la única futura. El estudio en el dominio frecuencial y espectro-temporal ha ido despertando un interés creciente, (Cohen, 1989; Lander et al., 1990).
El análisis espectral permite detectar micropotenciales que pueden quedar enmascarados por señales de mayor amplitud, onda P o complejo QRS, en pacientes con alteraciones en el sistema de conducción. La señal registrada se enventana y se obtiene su transformada de Fourier. En este caso se analizan las componentes de alta frecuencia del espectro obtenido, así como el área del espectro a altas frecuencias y la relación del área del espectro a alta frecuencia con el área total del espectro.
La determinación del segmento de señal a estudiar no siempre es sencilla y la presencia de otras ondas del ECG, onda P, complejo QRS u onda T, de mayor amplitud, pueden llegar a enmascarar o solapar el espectro de los micropotenciales. Además, dada la naturaleza no estacionaria del ECG, cada una de sus ondas presenta características frecuenciales y temporales diferentes, por lo que el análisis frecuencial convencional no es la mejor alternativa en ciertos casos. Además, debido a la no estacionaridad de las señales que se pretende detectar, la utilización de métodos de análisis espectro-temporal puede ser más adecuada. Estos métodos son conocidos y empleados en diversas ramas de la ingeniería y la física cuántica desde hace varias décadas, habiendo sido también aplicados recientemente para la detección de potenciales ventriculares tardíos (Lander et al., 1990; Morlet et al., 1993; Novak et al., 1994, Meste et al., 1994). Sin embargo, no existe una única representación de la distribución tiempo-frecuencia de la señal (Cohen, 1989). En la elección de la distribución que mejor se adapte a las características de la señal se debe tener en cuenta los siguientes parámetros considerados como los más importantes: resolución temporal, resolución frecuencial y la aparición de componentes frecuenciales no presentes en la señal, conocidos como términos cruzados. Ello explica que no se hayan adoptado todavía criterios cuantitativos para la detección de micropotenciales en el ECG mediante técnicas de análisis espectro-temporal y que no exista una distribución única para cada caso.
1.5 Objetivos
El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de nuevas técnicas para la detección de micropotenciales auriculares de alta frecuencia de modo que sea posible su estudio en las alteraciones del ritmo auricular. Para poder detectar estos micropotenciales en la mayoría de los casos será necesario reducir el ruido. La reducción de este ruido puede realizarse en dos fases: en la adquisición de señal, con un diseño adecuado de las etapas de entrada del sistema de medida, y con un procesado posterior de la señal empleando técnicas de promediado y análisis espectro-temporal.
La utilización de una derivación esofágica debería poder mejorar la detectabilidad de los micropotenciales por su proximidad a la aurícula. Sin embargo, las características de la señal y de las fuentes de ruido en las derivaciones esofágicas y superficiales son diferentes. De acuerdo con la bibliografía, las fuentes de ruido son, por orden de importancia, el electromiograma, las interferencias de la red eléctrica, el ruido de los electrodos y el ruido electrónico del equipo de registro. La principal fuente de ruido en las derivaciones esofágicas, en cambio es la variación del potencial de contacto de los electrodos causado por los movimientos de estos.
El estudio del movimiento del electrodo esofágico debería permitir un mejor conocimiento de las características del ruido y de la señal. Este estudio se puede realizar midiendo señales asociadas como son la impedancia y el desplazamiento del electrodo. La adquisición de estas magnitudes requerirá el diseño y realización de interfaces de acondicionamiento de señal adecuadas.
Dada la naturaleza no estacionaria del ruido y la señal en las derivaciones esofágicas, se deberán desarrollar técnicas para la reducción de ruido no estacionario.
Una vez reducido el ruido en las derivaciones superficiales y esofágicas se deberá determinar la presencia o no de micropotenciales auriculares. Se propone para la detección y estudio de los micropotenciales la utilización de técnicas espectro-temporales. Los resultados presentados en la bibliografía no son concluyentes y dada la naturaleza no estacionaria de la señal, con la aparición de señales de alta frecuencia en un intervalo de tiempo corto dentro de la actividad auricular, es adecuado considerar las posibilidades de las técnicas de análisis espectro-temporal.
Para validar el método se deberán obtener diversos registros sobre personas sanas (laboratorio) y mediante micropotenciales auriculares simulados, obtenidos a partir de la información bibliográfica. Dada la dificultad en obtener señales reales con micropotenciales auriculares en humanos, como método de validación se propone la utilización de registros reales obtenidos sobre un modelo porcino con potenciales ventriculares tardíos.
1.6 Estructura de la tesis
La tesis se ha dividido en seis capítulos. En este primer capítulo se han expuesto los antecedentes sobre los micropotenciales auriculares, los métodos para su detección basados en el análisis temporal y frecuencial de las señales, y los objetivos de la tesis.
El segundo capítulo describe las fuentes de ruido e interferencia que existen en el registro del ECG superficial y esofágico. Se analizan las causas del ruido en la derivación esofágica y se describen sistemas de adquisición de señal para el estudio de la movilidad del electrodo. También se describe una nueva estructura para la etapa de entrada del sistema de adquisición que permite aumentar el CMRR y la impedancia de entrada. Por último, se analiza el ruido en registros reales adquiridos con los sistemas desarrollados y descritos en este capítulo.
En el tercer capítulo se propone un nuevo método para la reducción del ruido no estacionario basado en lo que hemos denominado promediado ordenado. Se analizan las fuentes de error que existen en el proceso de promediado como son el desalineamiento de los diferentes ciclos de señal y la estimación del nivel de ruido de la señal promediada.
Las técnicas de detección de micropotenciales habituales en la bibliografía se describen brevemente en el capítulo 4. Se proponen nuevos métodos de detección y análisis de micropotenciales basados en las distribuciones tiempo-frecuencia de la señal.
Los resultados sobre la detección de micropotenciales, simulados y reales, mediante las técnicas propuestas se presentan en el capítulo 5. Primero se aplican los métodos propuestos sobre registros reales adquiridos en el laboratorio a los cuales se les añaden potenciales auriculares tardíos simulados. Para validar los resultados con señales simuladas se aplican los mismos métodos sobre señales reales con potenciales ventriculares tardíos
Por último, en el capítulo 6, se exponen las conclusiones de esta tesis. Al final de esta tesis se han añadido cuatro anexos.
En el anexo A pueden verse las expresiones completas para la ganancia de modo común y diferencial de la estructura propuesta con buffers acoplados para la etapa de entrada en sistemas de adquisición de biopotenciales. En el anexo B se encuentra las expresiones para el ruido introducido por la nueva estructura.
En el anexo C se han incluido los esquemas de los sistemas de adquisición desarrollados y descritos en esta tesis en el capítulo 2.
Por último, en el anexo D están los desarrollos para el análisis del promediado ordenado con diferentes distribuciones de variancia descritas en el capítulo 3.