Modelli parabolici delle contrazioni uterine in cardiotocografia

Since the 1800s, a progressive interest has developed in the study of the correlation between fetal heartrate and uterine contractions, in order to predict and prevent possible fetal damage through timely obstetric interventions. The purpose of this research is to introduce a new algorithm with the aim of creating a (parabolic) mathematical model for the digitized reading of the uterine contraction trace. In fact, uterine monitoring plays a very important role during pregnancy, in particular through cardiotocographic examination. Therefore, we started with the description of pregnancy and the development of the fetus during the three trimesters of gestation, during which a modest uterus activity occurs, through the so-called Braxton Hicks contractions, which intensifies in the last trimester. in which the birth of the fetus takes place through delivery. This last process constitutes labor, during which continuous monitoring is essential to control the state of the fetus and the contractile activity of the uterus. For this purpose, the prenatal diagnostic test that is most commonly used is cardiotocography which allows to simultaneously detect the heart rate of the fetus and contractions of the maternal uterus during the active phase of labor. The analysis of the contractions in these cases is very important because it allows to evaluate more precisely the state of health of the fetus starting from the decelerations: these if seen individually can suggest a state of discomfort of the fetus, while if related to the contractions they are absolutely physiological. In particular, the “CTU-CHB Intrapartum Cardiotocography” database containing 552 cardiotocographic recordings (CTG) lasting about 90 minutes, detected by expert gynecologists on patients not at risk, was used for the creation of this parabolic model. For greater precision, a dataset was also used containing annotations, referring to the CTG recordings of the database, consisting of specific information relating to both the fetal heartbeat and uterine contractions. After extracting the contractions of each subject, following the annotations of the aforementioned database, it was possible to model each contraction by estimating the parabola that best approximates the uterine contraction, using the least squares method. The goodness of the model (parabola) in the estimation of the contraction was evaluated through a correlation analysis from which it emerged that it is functional for 50% of the 7041 total contractions, while for 22% no correlation was found between the model and the real signal and for 28% a weak correlation. The method proved to be valid and reliable, but certainly to be improved in order to try to extend it to 100% of the contractions, using other possible models that are closer to the path of the contractions. In this way, it will be possible to accurately analyze uterine contractions digitally and achieve greater objectivity in reading the traces and processing the results.

Sin dall’800 si è sviluppato un progressivo interesse nello studio della correlazione tra battito cardiaco fetale e contrazioni dell’utero, al fine di prevedere e prevenire possibili danni fetali attraverso tempestivi interventi ostetrici. L’obiettivo di questa ricerca è di presentare un nuovo algoritmo con lo scopo di creare un modello matematico (parabolico) per la lettura digitalizzata del tracciato delle contrazioni uterine. Infatti, durante la gravidanza il monitoraggio uterino riveste un ruolo molto importante, in particolare attraverso l’esame cardiotocografico. Pertanto, si è partiti con la descrizione della gravidanza e dello sviluppo del feto durante i tre trimestri di gestazione, durante i quali si manifesta una modesta attività dell’utero, mediante le così dette contrazioni di Braxton Hicks, che si intensifica nell’ultimo trimestre in cui si ha la nascita del feto attraverso il parto. Quest’ultimo processo costituisce il travaglio, durante il quale è indispensabile il monitoraggio continuo per il controllo dello stato del feto e dell’attività contrattile dell’utero. A tale scopo il test diagnostico prenatale che più comunemente viene utilizzato è la cardiotocografia che permette di rilevare simultaneamente la frequenza cardiaca del feto e le contrazioni dell’utero materno durante la fase attiva del travaglio. L’analisi delle contrazioni in questi casi è molto importante perché permette di valutare in modo più preciso lo stato di salute del feto a partire dalle decelerazioni: queste se viste singolarmente possono far pensare ad uno stato di malessere del feto, mentre se correlate alle contrazioni sono assolutamente fisiologiche. In particolare, per la creazione del presente modello parabolico è stato utilizzato il “CTU-CHB Intrapartum Cardiotocography” database contenente 552 registrazioni cardiotocografiche (CTG) della durata di 90 minuti circa, rilevate da ginecologi esperti su pazienti non a rischio. Per una maggiore precisione è stato utilizzato anche un dataset contenente delle annotazioni, riferite alle registrazioni CTG del database, costituite da informazioni specifiche relative sia al battito cardiaco fetale che alle contrazioni uterine. Dopo aver estratto le contrazioni di ciascun soggetto, seguendo le annotazioni del suddetto database, è stato possibile modellizzare ogni contrazione stimando la parabola che meglio approssima la contrazione uterina, utilizzando il metodo dei minimi quadrati. La bontà del modello (parabola) nella stima della contrazione è stata valutata attraverso un’analisi di correlazione dalla quale è emerso che risulta funzionante per il 50% delle 7041 contrazioni totali, mentre per il 22% non si è riscontrata alcuna correlazione tra il modello e il segnale reale e per il 28% una debole correlazione. Il metodo è risultato valido e affidabile, ma sicuramente da migliorare per cercare di estenderlo al 100% delle contrazioni, utilizzando altri possibili modelli che si avvicinino maggiormente al tracciato delle stesse. In questo modo sarà possibile analizzare con precisione, in maniera digitale, le contrazioni uterine e raggiungere una maggiore obiettività nella lettura dei tracciati e nell’elaborazione dei risultati.