Processing of abdominal recordings by Kalman filters

Abstract

[ANGLÈS] Heart diseases are the cause of many deaths during prenatal, childbirth and newborn periods. Therefore, the study of the fetal cardiac signals might be very helpful in order to evaluate the fetal heart status for early detection of cardiac abnormalities. The recent trend in obtaining the fetal electrocardiogram (fECG) is to record signals in a non invasive way, by using surface electrodes placed on the maternal abdomen. Extracting the fetal component from this abdominal recordings is a challenging task due to the low energy of the fECG, which often is buried into maternal electrocardiography and noise sources. Although an extraction method for this purpose was developed at IBMT at the TU Dresden based on the Event Synchronous Canceller (ESC) method, the obtained results were still not enough accurate. Thus, this present study contemplates the implementation of a method that can improve the last obtained results. The chosen implemented scheme within this work is a Kalman filter (KF) based approach. Besides, a theoretical base of KF's algorithm, various examples of its usage in the general area of the ECG processing are given. This work establishes the possibility of new works related to this technique in the IBMT department. Moreover, this work continues the collaboration between IBMT and the University Hospital of Leipzig and therefore the algorithm has not only been tested with simulated data but also with real data obtained in the Hospital of Leipzig. Finally, the obtained achievements have been contrasted and compared with the former developed method within this department. The KF based scheme has not only been capable of successfully extracting the fECG from abdominal recordings, but also it has shown to be more robust than the previous scheme.

[CASTELLÀ] Las enfermedades del corazón son la causa de muchas muertes prenatales, en el parto o durante los primeros meses de vida. Por lo tanto, el estudio de las señales cardíacas fetales puede ser muy beneficioso para evaluar el estado del corazón del feto con motivo de detectar rápidamente anomalías cardíacas. La reciente tendencia en la obtención de electrocardiogramas fetales (fECG) es grabar señales de manera no invasiva, usando electrodos superficiales ubicados en el abdomen materno. La extracción del componente fetal a partir de esas grabaciones abdominales se trata de una tarea complicada debido a la pequeña energía del fECG, la cual a menudo, es enmascarada debido al electrocardiograma materno y a las fuentes de ruido. A pesar de que un método de extracción para este propósito fue desarrollado en el IBMT de la TU Dresden basado en el Event Synchronous Canceller (ESC), los resultados obtenidos no fueron aún lo suficientemente precisos. Por lo tanto, este presente estudio contempla la posibilidad de la implementación de un método que pueda mejorar los anteriores resultados obtenidos. El esquema elegido a implementar en este trabajo es uno basado en filtro de Kalman (KF). Además se presenta una base teórica del algoritmo del KF y varios ejemplos de su uso en el área general del procesamiento de ECG. Este trabajo establece la posibilidad de nuevas investigaciones relacionadas con esta técnica en el departamento de IBMT. Este proyecto continúa la colaboración entre IBMT y el hospital universitario de Leipzig, y por lo tanto, el algoritmo no solo ha sido probado con datos simulados sino que también lo ha sido con datos reales obtenidos en dicho hospital. Finalmente, los resultados obtenidos han sido contrastados y comparados con los conseguidos por el método anterior desarrollado en este departamento. El esquema basado en KF no solo ha sido capaz de extraer satisfactoriamente el fECG de las grabaciones abdominales, sino que también ha mostrado ser más robusto que el esquema anterior.

[CATALÀ] Les malalties del cor són la causa de moltes morts prenatals, en el part o durant els primers mesos de vida. Per tant, l'estudi dels senyals cardíacs fetals pot ser molt beneficiós per avaluar l'estat del cor del fetus amb motiu de detectar ràpidament anomalies cardíaques. La recent tendència en l'obtenció de electrocardiogrames fetals (fECG) és gravar senyals de manera no invasiva, usant elèctrodes superficials ubicats a l'abdomen matern. L'extracció del component fetal a partir d'aquestes gravacions abdominals es tracta d'una tasca complicada a causa de la petita energia del fECG, la qual sovint, és emmascarada a causa de l'electrocardiograma matern i a les fonts de soroll. Tot i que un mètode d'extracció per a aquest propòsit va ser desenvolupat a l'IBMT basat en el Event Synchronous canceller (ESC), els resultats obtinguts no van ser encara prou precisos. Per tant, aquest present estudi contempla la possibilitat de la implementació d'un mètode que pugui millorar els anteriors resultats obtinguts. L'esquema triat a implementar en aquest treball és un basat en el filtre de Kalman (KF). A més es presenta una base teòrica de l'algorisme del KF i diversos exemples del seu ús en l'àrea general del processament d'ECG. Aquest treball estableix la possibilitat de noves investigacions relacionats amb aquesta tècnica en el departament de IBMT. Aquest projecte continua la col·laboració entre IBMT i l'hospital universitari de Leipzig, i per tant, l'algorisme no només ha estat provat amb dades simulades sinó que també ho ha estat amb dades reals obtingudes en aquest hospital. Finalment, els resultats obtinguts han estat contrastats i comparats amb els aconseguits pel mètode anterior desenvolupat en aquest departament. L'esquema basat en KF no només ha estat capaç d'extreure satisfactòriament el fECG dels enregistraments abdominals, sinó que també ha mostrat ser més robust que l'esquema anterior.