Monitoring heart’s activity is very important in order to evaluate the correct functioning of heart and the presence of potential anomalies. We decided to examine electrocardiographic QT interval, a cardiac risk indicator which measure is difficult to establish. Our aim was to elaborate an indirect measurement model, proceeding from heart sounds recorded by electrocardiograph in healthy subjects and in subjects with mechanical pathologies. In this regard, we decided to analyse and compare signals recorded by electrocardiogram (ECG) and phonocardiogram (PCG), respectively signals of heart’s electric activity and heart’s mechanical activity. Electrical activity starts from specific myocardium, the genesis apparatus of the electrocardiographic cycle, which ensures the depolarization and repolarization of the atria and ventricles. A mechanical activity corresponds to every electrical activity. Mechanical cycle is characterized by an alternation of atrial and ventricular systole and diastole causing pressure variations in the four chambers and consequently opening and closing the four valves. Electrocardiogram (ECG) is the recording of the electrical activity of heart. Its acquisition and analysis are standardized. The peculiar waves of the signal represent the depolarization and repolarization of the atria and ventricles. Particularly interesting is electrocardiographic QT interval, including QRS complex and the T wave and representing the time required for ventricular depolarization and repolarization. A relevant variation of this interval could be related to diseases such as long QT syndrome and short QT syndrome. The recording of mechanical activity is carried out by a phonocardiogram (PCG). PCG is the recording of heart’s sounds caused by the closing of the valves. Two sounds are generally recorded: the first (S1) is generated by atrioventricular valves; the second (S2) is generated by semilunar valves. PCG recording may be considerably easier than ECG recording. Furthermore, it seems to be more reliable in the presence of noise. Despite that, ECG is more used. This study has been conducted analysing 405 PCG and 409 ECG recorded simultaneously in healthy and pathological subjects. Signals have been elaborated to obtain median PCG e ECG beats. The duration of the beat, S1 onset, S2 onset and the QT interval were then identified. A regression model was formulated to obtain the PCG-based QT estimate ((QT) ̂) and validated for both healthy and pathologic patients. The correlation coefficient and the estimation error were calculated. In healthy subjects (QT) ̂ and QT were not statistically different (model formulation: 362 ms vs 358 ms; model validation: 360 ms vs 358 ms, respectively; P> 0.5) and were significantly correlated (model formulation: model: ρ = 0,7; p <10^(-13); model validation: ρ = 0,6; p <10^(-10)); the median error was 1 ms. In pathological (QT) ̂ and QT differed significantly (model validation: 366 ms vs 410 ms; P=8∙10^(-43)), they were found to have a very low and statistically insignificant correlation (ρ = -0.07; p = 0.3); the median error was 43 ms. Therefore, the proposed model provides a reliable estimate of the QT interval only in healthy subjects. Since the (QT) ̂ results in any case to have acceptable values even in pathological subjects, the model does not allow the distinction between healthy and pathological subjects.

Il monitoraggio dell’attività cardiaca è estremamente importante al fine di valutare il corretto funzionamento del cuore e la presenza di eventuali anomalie. In questo studio si è scelto di prendere in esame l’intervallo QT elettrocardiografico, indice di rischio cardiaco la cui misurazione presenta particolari difficoltà. Si è inteso quindi elaborare un modello di misurazione indiretta del suddetto intervallo, procedendo a partire dai suoni cardiaci fonocardiografici registrati in soggetti sani e in soggetti con patologie meccaniche. A tal proposito, si è scelto di analizzare simultaneamente e di comparare i segnali registrati tramite elettrocardiogramma (ECG) e fonocardiogramma (PCG), segnali rispettivamente dell’attività elettrica e dell’attività meccanica del cuore. L’attività elettrica nasce dal miocardio specifico, apparato di genesi del ciclo elettrocardiografico, che garantisce la depolarizzazione e ripolarizzazione di atrii e ventricoli. Ad un’attività elettrica del cuore corrisponde un’attività meccanica. Il ciclo meccanico è caratterizzato da un alternarsi di sistole e diastole di atrii e ventricoli, questo genera dalle variazioni di pressione all’interno delle quattro cavità che causano l’apertura e la chiusura delle quattro valvole cardiache. L’elettrocardiogramma è la registrazione dell’attività elettrica del cuore. La sua acquisizione ed analisi è fortemente standardizzata. Le onde caratteristiche del segnale rappresentano la depolarizzazione e ripolarizzazione di atrii e ventricoli. È di particolare interesse l’intervallo QT elettrocardiografico, che comprende il complesso QRS e l’onda T e rappresenta il tempo necessario per la depolarizzazione e ripolarizzazione ventricolare. Una variazione importante di questo intervallo potrebbe essere legata a malattie quali sindrome del QT lungo e sindrome del QT corto, che comportano un rischio di morte cardiaca improvvisa, anche su soggetti giovani ed apparentemente sani. La registrazione dell’attività meccanica viene effettuata con un fonocardiogramma. Il PCG è la registrazione dei suoni cardiaci generati dalla chiusura delle valvole. Normalmente se ne individuano due: il primo, S1, generato delle valvole atrio-ventricolari; il secondo, S2, generato dalle valvole semilunari. La registrazione di un PCG risulta essere notevolmente più facile dell’ECG. Inoltre, in presenza di rumore, risulta essere più affidabile. Tuttavia, a livello clinico, l’ECG è molto più utilizzato. Il presente studio è stato condotto analizzando 405 PCG e 409 ECG acquisiti simultaneamente da soggetti sani e patologici. I segnali sono stati elaborati per ottenere battiti PCG ed ECG mediani. Sono stati poi individuati la durata del battito, l'inizio di S1 e l'inizio di S2 e l'intervallo QT. È stato formulato un modello di regressione per ottenere la stima del QT basata su PCG ((QT) ̂) e convalidato sia per i sani che per i patologici. È stato calcolato il coefficiente di correlazione e l'errore di stima. Nei soggetti sani (QT) ̂ e QT non differivano in modo significativo (formulazione del modello: 362 ms vs 358 ms; validazione del modello: 360 ms vs 358 ms, rispettivamente; P> 0,5) ed erano significativamente correlati (formulazione del modello: ρ = 0,7; p <10^(-13); convalida del modello: ρ = 0,6; p <10^(-10)); l'errore mediano era di 1 ms. Nei patologici (QT) ̂ e QT differivano in modo significativo (validazione del modello: 366 ms vs 410 ms; P=8∙10^(-43)), risultavano avere una correlazione molto bassa e statisticamente insignificante (ρ= -0.07; p=0.3); l’errore mediano era di 43 ms. Pertanto, il modello proposto fornisce una stima affidabile dell'intervallo QT solo in soggetti sani. Poiché i (QT) ̂ risultano comunque avere valori accettabili anche nei patologici il modello non permette la distinzione tra soggetti sani e patologici.

Stima dell'intervallo QT elettrocardiografico da registrazioni fonocardiografiche

PIERAGOSTINI, MICHELA
2019/2020

Abstract

Monitoring heart’s activity is very important in order to evaluate the correct functioning of heart and the presence of potential anomalies. We decided to examine electrocardiographic QT interval, a cardiac risk indicator which measure is difficult to establish. Our aim was to elaborate an indirect measurement model, proceeding from heart sounds recorded by electrocardiograph in healthy subjects and in subjects with mechanical pathologies. In this regard, we decided to analyse and compare signals recorded by electrocardiogram (ECG) and phonocardiogram (PCG), respectively signals of heart’s electric activity and heart’s mechanical activity. Electrical activity starts from specific myocardium, the genesis apparatus of the electrocardiographic cycle, which ensures the depolarization and repolarization of the atria and ventricles. A mechanical activity corresponds to every electrical activity. Mechanical cycle is characterized by an alternation of atrial and ventricular systole and diastole causing pressure variations in the four chambers and consequently opening and closing the four valves. Electrocardiogram (ECG) is the recording of the electrical activity of heart. Its acquisition and analysis are standardized. The peculiar waves of the signal represent the depolarization and repolarization of the atria and ventricles. Particularly interesting is electrocardiographic QT interval, including QRS complex and the T wave and representing the time required for ventricular depolarization and repolarization. A relevant variation of this interval could be related to diseases such as long QT syndrome and short QT syndrome. The recording of mechanical activity is carried out by a phonocardiogram (PCG). PCG is the recording of heart’s sounds caused by the closing of the valves. Two sounds are generally recorded: the first (S1) is generated by atrioventricular valves; the second (S2) is generated by semilunar valves. PCG recording may be considerably easier than ECG recording. Furthermore, it seems to be more reliable in the presence of noise. Despite that, ECG is more used. This study has been conducted analysing 405 PCG and 409 ECG recorded simultaneously in healthy and pathological subjects. Signals have been elaborated to obtain median PCG e ECG beats. The duration of the beat, S1 onset, S2 onset and the QT interval were then identified. A regression model was formulated to obtain the PCG-based QT estimate ((QT) ̂) and validated for both healthy and pathologic patients. The correlation coefficient and the estimation error were calculated. In healthy subjects (QT) ̂ and QT were not statistically different (model formulation: 362 ms vs 358 ms; model validation: 360 ms vs 358 ms, respectively; P> 0.5) and were significantly correlated (model formulation: model: ρ = 0,7; p <10^(-13); model validation: ρ = 0,6; p <10^(-10)); the median error was 1 ms. In pathological (QT) ̂ and QT differed significantly (model validation: 366 ms vs 410 ms; P=8∙10^(-43)), they were found to have a very low and statistically insignificant correlation (ρ = -0.07; p = 0.3); the median error was 43 ms. Therefore, the proposed model provides a reliable estimate of the QT interval only in healthy subjects. Since the (QT) ̂ results in any case to have acceptable values even in pathological subjects, the model does not allow the distinction between healthy and pathological subjects.
2019
2020-10-30
Electrocardiographic QT-interval estimation from phonocardiographic recordings
Il monitoraggio dell’attività cardiaca è estremamente importante al fine di valutare il corretto funzionamento del cuore e la presenza di eventuali anomalie. In questo studio si è scelto di prendere in esame l’intervallo QT elettrocardiografico, indice di rischio cardiaco la cui misurazione presenta particolari difficoltà. Si è inteso quindi elaborare un modello di misurazione indiretta del suddetto intervallo, procedendo a partire dai suoni cardiaci fonocardiografici registrati in soggetti sani e in soggetti con patologie meccaniche. A tal proposito, si è scelto di analizzare simultaneamente e di comparare i segnali registrati tramite elettrocardiogramma (ECG) e fonocardiogramma (PCG), segnali rispettivamente dell’attività elettrica e dell’attività meccanica del cuore. L’attività elettrica nasce dal miocardio specifico, apparato di genesi del ciclo elettrocardiografico, che garantisce la depolarizzazione e ripolarizzazione di atrii e ventricoli. Ad un’attività elettrica del cuore corrisponde un’attività meccanica. Il ciclo meccanico è caratterizzato da un alternarsi di sistole e diastole di atrii e ventricoli, questo genera dalle variazioni di pressione all’interno delle quattro cavità che causano l’apertura e la chiusura delle quattro valvole cardiache. L’elettrocardiogramma è la registrazione dell’attività elettrica del cuore. La sua acquisizione ed analisi è fortemente standardizzata. Le onde caratteristiche del segnale rappresentano la depolarizzazione e ripolarizzazione di atrii e ventricoli. È di particolare interesse l’intervallo QT elettrocardiografico, che comprende il complesso QRS e l’onda T e rappresenta il tempo necessario per la depolarizzazione e ripolarizzazione ventricolare. Una variazione importante di questo intervallo potrebbe essere legata a malattie quali sindrome del QT lungo e sindrome del QT corto, che comportano un rischio di morte cardiaca improvvisa, anche su soggetti giovani ed apparentemente sani. La registrazione dell’attività meccanica viene effettuata con un fonocardiogramma. Il PCG è la registrazione dei suoni cardiaci generati dalla chiusura delle valvole. Normalmente se ne individuano due: il primo, S1, generato delle valvole atrio-ventricolari; il secondo, S2, generato dalle valvole semilunari. La registrazione di un PCG risulta essere notevolmente più facile dell’ECG. Inoltre, in presenza di rumore, risulta essere più affidabile. Tuttavia, a livello clinico, l’ECG è molto più utilizzato. Il presente studio è stato condotto analizzando 405 PCG e 409 ECG acquisiti simultaneamente da soggetti sani e patologici. I segnali sono stati elaborati per ottenere battiti PCG ed ECG mediani. Sono stati poi individuati la durata del battito, l'inizio di S1 e l'inizio di S2 e l'intervallo QT. È stato formulato un modello di regressione per ottenere la stima del QT basata su PCG ((QT) ̂) e convalidato sia per i sani che per i patologici. È stato calcolato il coefficiente di correlazione e l'errore di stima. Nei soggetti sani (QT) ̂ e QT non differivano in modo significativo (formulazione del modello: 362 ms vs 358 ms; validazione del modello: 360 ms vs 358 ms, rispettivamente; P> 0,5) ed erano significativamente correlati (formulazione del modello: ρ = 0,7; p <10^(-13); convalida del modello: ρ = 0,6; p <10^(-10)); l'errore mediano era di 1 ms. Nei patologici (QT) ̂ e QT differivano in modo significativo (validazione del modello: 366 ms vs 410 ms; P=8∙10^(-43)), risultavano avere una correlazione molto bassa e statisticamente insignificante (ρ= -0.07; p=0.3); l’errore mediano era di 43 ms. Pertanto, il modello proposto fornisce una stima affidabile dell'intervallo QT solo in soggetti sani. Poiché i (QT) ̂ risultano comunque avere valori accettabili anche nei patologici il modello non permette la distinzione tra soggetti sani e patologici.
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