Estimación de la señal respiratoria a partir de la señal electrocardiográfica y de presión sanguínea en sujetos sanos - Bejarano Dallos, Laura Daniela (Universidad Politécnica de Cataluña, 2023)
La estimación de la señal respiratoria óptima es vital en el campo clínico y de telemonitorización, ya que a menudo una frecuencia respiratoria anormal es el signo más temprano de una enfermedad crítica. El estudio de las señales electrocardiográficas (ECG) y fotopletismográficas (PPG) hacen posible el análisis de la señal respiratoria, como métodos alternativos para permitir su estimación, siendo el objetivo de este trabajo desarrollar algoritmos óptimos para la estimación de la señal respiratoria. Se proponen dos sistemas distintos para la estimación de la señal respiratoria. El primero se basa en el principio de la arritmia sinusal respiratoria (ASR) y se fundamenta en el análisis del intervalo de tiempo entre los latidos cardíacos, los cuales se sincronizan con la respiración. El segundo sistema se fundamenta en la modulación de amplitudes (AM) de las señales, las cuales varían durante la inspiración debido a los cambios en la impedancia torácica y al aumento de la presión intratorácica en las señales ECG y PPG, respectivamente. A través del análisis de la señal respiratoria derivada (EDR) obtenida a partir de las señales ECG y PPG utilizando los dos métodos desarrollados, se establece una correlación con la señal de volumen respiratorio base, lo que permite determinar su similitud. Este procedimiento revela que ambos métodos son apropiados para la estimación de la EDR. No obstante, en el contexto de la señal PPG, se observa que el método ASR demostró ser más idóneo en comparación con el método AM.

La estimació de la senyal respiratòria òptima és vital en el camp clínic i de telemonitorització, ja que sovint una freqüència respiratòria anormal és el signe més primerenc d'una malaltia crítica. L'estudi de les senyals electrocardiogràfiques (ECG) i fotopletismogràfiques (PPG) fa possible l'anàlisi de la senyal respiratòria, com a mètodes alternatius per permetre la seva estimació, sent l'objectiu d'aquest treball desenvolupar algoritmes òptims per a la estimació de la senyal respiratòria. Es proposen dos sistemes diferents per a la estimació de la senyal respiratòria. El primer es basa en el principi de l’arrítmia sinusal respiratòria (ASR) i es fonamenta en l'anàlisi de l'interval de temps entre els batecs cardíacs, els quals es sincronitzen amb la respiració. El segon sistema es en la modulació d'amplituds (AM) de les senyals, les quals varien durant la inspiració a causa dels canvis en la impedància toràcica i de l'augment de la pressió intratoràcica en les senyals ECG i PPG, respectivament. Mitjançant l'anàlisi de la senyal respiratòria derivada (EDR) obtinguda a partir de les senyals ECG i PPG utilitzant els dos mètodes desenvolupats, s'estableix una correlació amb la senyal de volum respiratori base, la qual cosa permet determinar la seva similitud. Aquest procediment revela que tots dos mètodes són apropiats per a l'estimació de la EDR. No obstant això, en el context del senyal PPG, s'observa que el mètode ASR va demostrar ser més idoni en comparació amb el mètode AM.

The estimation of optimal respiratory signal is crucial in the clinical and telemonitoring field, as often an abnormal respiratory rate is the earliest sign of a critical illness. The study of electrocardiographic (ECG) and photoplethysmographic (PPG) signals makes it possible to analyze the respiratory signal, serving as alternative methods to enable its estimation. The objective of this work is to develop optimal algorithms for respiratory signal estimation. Two different systems for estimating the respiratory signal are proposed. The first is based on the principle of respiratory sinus arrhythmia (RSA) and is based on the analysis of the time interval between heartbeats, which synchronizes with respiration. The second system is based on amplitude modulation (AM) of the signals, which vary during inspiration due to changes in thoracic impedance and intrathoracic pressure in the ECG and PPG signals, respectively. Through the analysis of the derived respiratory signal (DRS) obtained from the ECG and PPG signals using the two developed methods, a correlation is established with the base respiratory volume signal, allowing for the determination of their similarity. This procedure reveals that both methods are appropriate for the estimate of the EDR. However, in the context of the PPG signal, it is noted that the ASR method proved more suitable compared to the AM method.
RESUMEN ___________________________________________________________ RESUM ______________________________________________________________ I ABSTRACT __________________________________________________________ II AGRADECIMIENTOS __________________________________________________ III GLOSARIO __________________________________________________________ IV 1. PREFACIO ______________________________________________________ 7 1.1. Motivación ............................................................................................................... 7 1.2. Requerimientos previos ........................................................................................... 7 2. INTRODUCCIÓN _________________________________________________ 8 2.1. Objetivos .................................................................................................................. 9 3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS _______________________________________ 10 3.1. Sistema cardiovascular .......................................................................................... 10 3.1.1. Corazón ................................................................................................................. 10 3.1.2. Vasos sanguíneos ................................................................................................. 13 4. METODOLOGÍA ________________________________________________ 17 4.1. Bases de datos........................................................................................................ 17 4.2. Métodos de estimación de la señal respiratoria derivada .................................... 17 4.2.1. Metodología Arritmia sinusal respiratoria ........................................................... 18 4.2.2. Método de modulación por amplitudes .............................................................. 19 4.3. Pre‐procesamiento de las señales ......................................................................... 20 4.3.1. Filtrado .................................................................................................................. 20 4.4. Extracción del volumen respiratorio ..................................................................... 24 4.5. Detección de picos ................................................................................................. 24 4.5.1. Detección de picos R (Electrocardiograma)) ........................................................ 24 4.5.2. Detección de picos P (Fotopletismografía) .......................................................... 26 4.6. Estimación de la señal respiratoria ........................................................................ 28 4.6.1. Metodología arritmia sinusal respiratoria ........................................................... 28 4.6.2. Metodología por modulación de amplitudes ...................................................... 30 4.7. Técnicas de análisis de resultados ......................................................................... 31 4.7.1. Correlación............................................................................................................ 31 Memoria vi 4.7.2. Estadístico de Wilcoxon ........................................................................................ 33 5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ________________________________________ 34 5.1. Correlación ............................................................................................................. 34 5.1.1. Señal respiratoria derivada de la señal electrocardiográfica ............................... 34 5.1.2. Señal respiratoria derivada de la señal fotopletismográfica ................................ 36 5.2. Estadístico de Wilcoxon ......................................................................................... 37 6. CONCLUSIONES ________________________________________________ 41 7. ANÁLISIS DEL IMPACTO AMBIENTAL _______________________________ 43 8. PRESUPUESTO Y/O ANÁLISIS ECONÓMICO __________________________ 44 9. BIBLIOGRAFÍA__________________________________________________ 45 ANEXO A ____________________________________________________________ I
Keywords: Aparatos de respiración; Señales electrocardiográficas (ECG); Fotopletismografía (PPG); Aparatos de respiración; Breathing apparatus; Señales electrocardiográficas (ECG); Electrocardiographic (ECG) signals; Fotopletismografía (PPG); Photoplethysmography (PPG)