[논문 리뷰] Extraction of clinical information from the non-invasive fetal electrocardiogram

Joachim A. Behar|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 01.

ECG Monitoring and Analysis참고 문헌 116인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 저비율의 신호 대 잡음 비율로 인해 어려움을 겪는 비침습적 복부 기록에서 임상적으로 유의미한 태반 심전도(FECG) 신호를 추출하기 위한 방법을 제시한다. 모성 심전도와 잡음이 지배적인 상황에서의 저비율 신호 대 잡음 비율 문제를 해결함으로써, FECG의 형태 분석이 가능해져 태아의 고통 및 자궁내 성장 저하를 향상된 방식으로 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

Estimation of the fetal heart rate (FHR) has gained interest in the last century; low heart rate variability has been studied to identify intrauterine growth restricted fetuses (prepartum), and abnormal FHR patterns have been associated with fetal distress during delivery (intrapartum). Several monitoring techniques have been proposed for FHR estimation, including auscultation and Doppler ultrasound. This thesis focuses on the extraction of the non-invasive fetal electrocardiogram (NI-FECG) recorded from a limited set of abdominal sensors. The main challenge with NI-FECG extraction techniques is the low signal-to-noise ratio of the FECG signal on the abdominal mixture signal which consists of a dominant maternal ECG component, FECG and noise. However the NI-FECG offers many advantages over the alternative fetal monitoring techniques, the most important one being the opportunity to enable morphological analysis of the FECG which is vital for determining whether an observed FHR event is normal or pathological. In order to advance the field of NI-FECG signal processing, the development of standardised public databases and benchmarking of a number of published and novel algorithms was necessary. Databases were created depending on the application: FHR estimation with or without maternal chest lead reference or directed toward FECG morphology analysis. Moreover, a FECG simulator was developed in order to account for pathological cases or rare events which are often under-represented (or completely missing) in the existing databases. This simulator also serves as a tool for studying NI-FECG signal processing algorithms aimed at morphological analysis (which require underlying ground truth annotations). An accurate technique for the automatic estimation of the signal quality level was also developed, optimised and thoroughly tested on pathological cases. Such a technique is mandatory for any clinical applications of FECG analysis as an external confidence index of both the input signals and the analysis outputs. Finally, a Bayesian filtering approach was implemented in order to address the NI-FECG morphology analysis problem. It was shown, for the first time, that the NI-FECG can allow accurate estimation of the fetal QT interval, which opens the way for new clinical studies on the development of the fetus during the pregnancy.

연구 동기 및 목표

• 저비율의 신호 대 잡음 비율을 가진 복부 기록에서 태아 심전도를 추출하기 위한 강력한 신호 처리 기법을 개발하기 위해.
• 정상적인 심장 박동 패턴과 병적 패턴을 구분하는 데 필수적인, 태아 심전도의 형태 분석을 가능하게 하기 위해.
• 비침습적 태아 심전도(NI-FECG) 처리를 위한 공개 데이터베이스 구축과 알고리즘 벤치마킹을 통해 평가의 표준화를 위해.
• 심장 박동 수치 추정을 넘어서, 세밀한 심전도 파형 분석을 포함한 비침습적 태아 모니터링 기술의 발전을 위해.
• 태아 고통 또는 자궁내 성장 저하와 연관된 비정상적인 FHR 패턴을 식별함으로써 임상적 의사결정 지원을 위해.

제안 방법

• 모성 심전도, 태아 심전도, 잡음이 혼합된 신호를 기록하기 위해 제한된 수의 복부 센서를 사용한다.
• 저비율의 신호 대 잡음 비율 상황에서도 태아 심전도를 복합 신호에서 분리하기 위해 고도의 소스 분리 기법을 적용한다.
• 다양한 기존 및 신규 방법에 대한 알고리즘 벤치마킹과 검증을 위해 표준화된 공개 데이터베이스를 활용한다.
• 심장 박동 수치 추정을 넘어서 임상적 해석을 위해 태아 심전도의 형태적 특징을 유지하는 데 초점을 맞춘다.
• 태아 심전도 성분을 향상시키고 모성 심전도 및 잡음 성분을 억제하기 위한 신호 처리 파이프라인을 통합한다.
• 오xford 대학교의 임상 데이터를 사용하여 방법의 유효성을 검증함으로써 실제 산과 모니터링에의 적용 가능성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비율의 신호 대 잡음 비율을 가진 비침습적 복부 기록에서 태아 심전도를 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ2 비침습적 방법을 통해 태아 심전도의 형태적 특징을 어느 정도 유지하고 분석할 수 있는가?
• RQ3 기존의 심장 박동 수치 모니터링만으로도 충분한가에 비해, 형태적 FECG 분석의 임상적 가치가 어떠한가?
• RQ4 표준화된 공개 데이터베이스에서 다양한 신호 처리 알고리즘이 성능 면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ5 비침습적 FECG 추출 기술이 태아 고통 및 자궁내 성장 저하의 탐지에 향상된 성능을 보일 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 형태 분석에 적합한 정밀도로 복부 기록에서 태아 심전도 신호를 성공적으로 추출하였다.
• 태아 심전도의 형태 분석은 정상적인 심장 박동 패턴과 병적 패턴을 구분하는 데 기여한다.
• 표준화된 공개 데이터베이스의 개발은 NI-FECG 알고리즘의 일관성 있는 벤치마킹과 재현 가능성을 촉진한다.
• 비침습적 FECG 추출 기술은 기존의 도플러 초음파와 같은 전통적 방법보다 세밀한 심전도 파형 정보를 제공함으로써 우월하다.
• 비정상적인 FECG 형태와 낮은 심장 박동 수 변동성 분석을 통해 자궁내 성장 저하의 조기 탐지가 가능하다.
• 강력한 신호 분리 기법은 모성 심전도와 잡음을 효과적으로 억제하여 추출된 FECG의 임상적 관련성을 향상시킨다.