Zadání:

1. Načtěte a vykreslete signál FHR z měření KTG.
2. Proveďte odstranění chybějících hodnot v signálu.
3. Na zadaném signálu určete pomocí filtrace odhad průběhu baseline v signálu.
4. Na základě odhadu baseline detekujte v signálu FHR akcelerace a decelerace srdečního rytmu.
5. Odstraňte detekované akcelerace a decelerace (místo nich bude nulový signál)
6. Proveďte 3x iteraci 2.,3.,4. a 5. kroku.
7. Popište (pokuste se parametrizovat) a diskutujte změnu v odhadu baseline a detekce akcelerací a decelerací v jednotlivých iteracích

Data

• V souboru data_FHR.mat máte dvě proměnné.
• Ve struktuře params je přehled parametrů zjišťovaných u rodičky (např. věk rodičky, gravidita, parita) a novorozence (např. pH krve novorozence, apgar, pohlaví, váha novorozence).
• V proměnné fhr máte k dispozici reálný záznam FHR z měření KTG.
• Signál je měřen z povrchu břicha matky ultrazvukovou sondou.
• Signál je vzorkován frekvencí 4 Hz.
• Signál obsahuje řadu chybějících hodnot, vzniklých nejspíše chybou při měření.
• Více k signálu a jeho měření naleznete v Teoretickém úvodu a nebo např. v diplomové práci Lukáše Zacha

Realizace

Každý krok programu a každý obrázek pečlivě komentujte a vysvětlujte své jednotlivé kroky.

Váš program by měl obsahovat následující kroky:

• Načtení signálu a vykreslení signálu před a po odstranění chybějících hodnot.
• Nahrazení hodnot budeme potřebovat několikrát, proto se snažte jej napsat rozumně.

Signál FHR před interpolací s chybějícími hodnotami.

Signál FHR po interpolací, která odstranila chybějící hodnoty.

• Návrh filtru pro odhad baseline a vykreslení baseline do signálu (celkem 4x - pro první odhad a následné tři iterace)
• K odhadu průběhu baseline budete používat metodu filtrace. Proto bude Váš script obsahovat návrh příslušného filtru.

Signál FHR s vyznačeným odhadem průběhu baseline.

• Detekci akcelerací a decelerací a jejich vyznačení v signálu opět pro všechny iterace.

Signál FHR s vyznačenými deceleracemi.

• Parametrizaci baseline, akcelerací a decelerací pro jejich porovnání z různých iterací.
• Zde využíjte své znalosti získané v předchozích úlohách, neboť už byste měli být schopni představit co se pod pojmeme parametrizace skrývá.

Teoretický úvod

Měření KTG je v dněšní době prováděno jednou ze dvou metod.

• Externím monitorováním - je prováděno pomocí Dopplerovského ultrazvuku s užitím autokorelačního procesu a externím snímačem pro TOCO
• Interním monitorováním - využívá elektrody umístěné na hlavičce plodu. V případě interního monitorování je výsledná FHR spočtena ze záznamu EKG a R-R intervalů. TOCO může být měřeno například pomocí snímače nitroděložního tlaku umístěného ve vagíně.

Oba způsoby jsou znázorněny na následujícím obrázku.

Monitorování srdeční frekvence plodu a děložního tlaku, zleva: a) externí monitorování, b) interní monitorování (Sundström et al., 2000).

Data, která bude používat pocházejí z externího monitorování.

Na začátek zpracování je potřeba zbavit data chybějících hodnot, které by kazily nebo dokonce znemožňovaly následnou analýzu. Avšak chybějících hodnot může být souvislá část a proto jejich doplnění pouze na základě mediánu by nemuselo řešit náš problém ideálně. Proto je lepší pro nahrazení chybějících hodnot použít interpolaci (v našem prípadě Piecewise Cubic Hermite Interpolating Polynomial, se kterou jste se již setkali v úloze na zpracování EKG). Příklad interpolace je na následujícím obrázku.

Příklad interpolace na sinu.

Důvod proč se sleduje fetální rytmus srdce (FHR) je v propojení srdečního rytmu a dostatku kyslíku plodu. V případě, že by plod trpěl kyslíkovou nedostatečností (hypoxií), hrozí vážné poškození mozku novorozence. V signálu je hypoxie úzce spojena s poklesem srdeční variability, tzv. decelerací (důležité je si uvědomit, že na ose y máte srdeční rytmus, jehož jednotky jsou bpm - beat per minutes) Proto aby bylo možné detekovat decelerace (určené prahem) potřebujeme znát základní linii, ke které bude práh vztažen. Proto je prvním krokem nalezení baseline.

Bazální linie je základní linie srdeční frekvence a obvykle se pohybuje mezi 110 a 150 bpm v časovém intervalu 5 až 10 minut s absencí akcelerací a decelerací. Bazální linie nad 150 bpm značí tachykardii a linie pod 110 bpm bradykardii.

Akcelerace indikují pohyby plodu, stimulace a jsou spojovány i se zdravím plodu. Akcelerace jsou známkou normálního okysličení. V záznamech se projevují nárůstem srdeční frekvence o více než 10 bpm po dobu nejméně 15-ti sekund.

Decelerace jsou definovány jako pokles srdeční frekvence o více než 10 bpm po dobu 15-ti sekund a více. Tzv. pozdní decelerace jsou spojovány s hypoxií.

Zadání úlohy vychází z Taylorova postupu pro stanovení baseline a akcelerací s deceleracemi (Taylor et al., 2000). Tento postup využívá iterativní filtrace na různých zlomových frekvencích. Skládá se ze tří hlavních kroků

1. Interpolace chybných dat
2. detekce bazální linie FHR
3. analýzy signálu - detekce akcelerací a decelerací

V tomto případě jsou obě analýzy (odhad baseline a detekce decelerací) propojeny. Postup pro odhad bazální linie a decelerací je následující:

• Počáteční linii využijeme IRR filter 3. řádu typu dolní propust navržený pomocí Butterworthovy aproximace s nulovou fází na frekvenci 0,008 Hz.
• Po filtraci vždy následuje proces kdy je na základě stanového prahu oříznut původní signál vůči filtrovanému a interpolován.
• Pro 1.,2. a 3. odhad baseline je práh pro oříznutí signálu 5 bpm nad a pod baseline.
• Pro následné iterakce využijeme stejný filtr ale na frekvenci 0,006 Hz
• Poslední odhad má nasteveny prahy pro oříznutí signálu na 10 bpm pod baseline a 5 bpm nad baseline

Tento proces je zobrazen na následující sérii obrázků

Odhad bazální linie podle Taylora a kol.: a) počáteční linie po filtraci na 0:008 Hz, b) druhá linie po odřezání částí 5 bpm, interpolaci a filtraci na 0,006 Hz, c) třetí linie po odřezání částí 5 bpm, interpolaci a filtraci na 0,006 Hz, d) finální bazální linie po odřezání částí 10 bpm nad linii a 5 bpm pod ní, interpolaci a filtraci

Vraťme se k detekci akcelerací a decelerací. V průběhu Taylorovy metody je signál ořezáván o hodnoty větší než definovaný přáh (tzn. že tyto hodnoty jsou ze signálu odstraněny) a následná interpolace je nahradí. Po posledním vyfiltrování signálu dolní propustí, však již nebudete tyto hodnoty ořezávat, ale jejich detekce je právě detekcí akcelerací a decelerací. Avšak pravidla o velikosti odchylky srdečního rytmu od základní linie pro detekci rozšíříme.

Decelerace je definována jednou z těchto podmínek:

• Signál FHR pokles pod 10 bpm od baseline a pokud tento pokles trvá déle než 15 vteřin jená se deceleraci.
• Signál poklesne pod 10 bpm, není pod touto hodnotou déle než 15 vteřin, avšak nepřekročil hranici 5 bpm pod baseline a do 18 vteřin opět poklesl pod hranici 10 bpm pod baseline

Řečeno jinými slovy, vzniklá decelerace (podezření na deceleraci) je ukončenavána:

• jestliže signál FHR překříží baseline;
• jestliže je signál FHR po dobu alespoň 10 vteřin méně než 5 bpm pod baseline;
• jestliže je signál FHR po dobu delší než 18 vteřin mezi hodnotou 5 bpm a 10 bpm.

Reference

A. Sundström, D. Rosén, and K. Rosén. Fetal surveillance - textbook. [online] Gothenburg, Sweden: Neoventa Medical AB, January 2000.

G. M. Taylor, G. J. Mires, E. W. Abel, S. Tsantis, T. Farrell, P. F. Chien, and Y. Liu. The development and validation of an algorithm for real-time computerised fetal heart rate monitoring in labour. BJOG, 107(9):1130–1137, Sep 2000.