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Sviluppo e confronto di algoritmi di filtraggio del segnale fonocardiografico addominale per l’estrazione della frequenza cardiaca fetale

Informazioni tesi

  Autore: Ciro Tufo
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2010-11
  Università: Università degli Studi di Napoli - Federico II
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria biomedica
  Relatore: Mario Cesarelli
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 288


Il segnale acustico registrato sulla superficie addominale materna tuttavia ha un’intensità piuttosto bassa ed è fortemente inquinato dal rumore. Le componenti principali del segnale FHS sono il primo ed il secondo tono cardiaco fetale. Ai fini del calcolo della FHR è necessario ricavare dai suoni cardiaci degli intervalli di tempo interbattito affidabili. Questo non è un obiettivo facile da raggiungere a causa del basso rapporto segnale-rumore dell’FHS e a causa della morfologia variabile dei suoni cardiaci. Considerando che la variabilità del ritmo cardiaco gioca un importante ruolo nella valutazione dello stress fetale, la valutazione delle condizioni che potrebbero influenzare questa diagnosi è cruciale.
Nel presente lavoro è stato affrontato il problema del filtraggio del segnale fonocardiografico fetale, che si rivela cruciale nelle strategie di de-noising, per la determinazione della FHR. Utilizzando un software per l’estrazione della FHR, sviluppato nell’ambito delle attività di ricerca del gruppo di bioingegneria e preventivamente ottimizzato, sono state confrontate diverse soluzioni di filtraggio. L’algoritmo implementato consiste essenzialmente di un primo stadio di pre-elaborazione, uno stadio di filtraggio, uno stadio di elaborazione tramite TEO ed uno stadio di post-elaborazione per fissare degli affidabili marker temporali dei battiti cardiaci. Per lo stadio di filtraggio, sono state implementate 4 diverse tecniche di de-noising e ne sono stati confrontati i risultati. Le 4 tecniche sono rispettivamente un filtraggio adattativo basato sul filtro RLS, un filtraggio passa banda con frequenza di centro banda fissa, un filtraggio passa banda con frequenza di centro banda variabile al variare della settimana di gestazione ed una strategia di de-noising e di esaltazione dei primi toni cardiaci fetali secondo la teoria della decomposizione wavelet. Per consentire il confronto dei risultati ottenuti con le diverse tecniche, il software è stato arricchito di nuove funzionalità ed è stato velocizzato il percorso di elaborazione. Per portare avanti e completare il lavoro, oltre allo sviluppo del software, è stato necessario effettuare un’ampia analisi della letteratura, principalmente sulle soluzioni adottate per la soppressione delle principali fonti di rumore dal segnale fPCG e per l’elaborazione del segnale ai fini del calcolo affidabile della FHR utilizzando come riferimento i toni cardiaci fetali. Sono stati inoltre riorganizzati i dati ed è stata creata una nuova interfaccia.
Gli algoritmi di filtraggio sono stati confrontati in relazione alla loro efficienza, confrontando il segnale FHR estratto da ognuno di essi con il segnale FHR ottenuto da una registrazione cardiotocografica eseguita contemporaneamente, utilizzando sia la sonda Doppler che il sensore acustico fonocardiografico. Il software sviluppato valuta l’efficienza degli algoritmi tramite il confronto dei due segnali, restituendo la distribuzione dell’errore beat-to-beat calcolato come differenza punto-punto tra i 2 segnali. Sono inoltre calcolati ulteriori parametri statistici della distribuzione dell’errore, la frequenza cardiaca media e viene operato il confronto tra gli istogrammi della distribuzione della FHR estratta tramite cardiotocografia e fonocardiografia. Viene poi condotta un’analisi della varianza (ANOVA) per verificare l’appartenenza delle distribuzioni dei valori della FHR estratta dai vari algoritmi, alla stessa popolazione della distribuzione dei valori della FHR estratta con la CTG.
Allo scopo di valutare gli algoritmi migliori, caratterizzati da errori minori, è stato utilizzato un indice di qualità, già proposto. Tale indice supporta in maniera più diretta l’individuazione dell’algoritmo di filtraggio ottimale tra quelli proposti ed analizzati. In particolare, i risultati ottenuti indicano che, a parità di altre condizioni, i migliori risultati si ottengono con il filtro passa banda con frequenza di centro banda variabile.

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Introduzione 5 Introduzione Il monitoraggio elettronico fetale, come controllo di routine sull’andamento della gravidanza, fornisce informazioni importanti sullo stato di salute del feto. La registrazione della frequenza cardiaca fetale (Fetal Heart Rate - FHR) è una metodica ampiamente diffusa per valutare le condizioni di benessere del feto. Attualmente la metodologia diagnostica più utilizzata per la diagnosi clinica prenatale della salute del feto è la cardiotocografia (CTG). Essa consiste nella registrazione della FHR con una sonda Doppler ad ultrasuoni, e nella misurazione dell’intensità relativa delle contrazioni uterine (UC) con un trasduttore indiretto di pressione. Nonostante la registrazione frequente e/o a lungo termine della FHR sia spesso suggerita nelle gravidanze a rischio, non è ancora del tutto accertato che l’esposizione prolungata agli ultrasuoni non provochi danni al feto. Un’alternativa alla CTG è l’uso di metodiche passive, tra le quali grande interesse sta guadagnando la fonocardiografia (fPCG), una metodica totalmente non invasiva, consistente nella registrazione acustica dei suoni cardiaci fetali (Fetal Heart Sounds - FHS). La facilità di utilizzo, la non invasività ed il basso costo, ne consentono l’utilizzo per il monitoraggio continuo della FHR anche nel regime di home monitoring. Inoltre la fonocardiografia consente il rilevamento di anomalie dell’attività cardiaca come murmurs, splits, extrasistoli o altre aritmie, non facilmente riconoscibili o non riconoscibili affatto con altre metodiche. Il presente lavoro di tesi è stato organizzato nel modo seguente. Dopo una descrizione (Cap.1) delle caratteristiche del sistema cardiovascolare fetale, nel cap. 2 si esaminano le principali tecniche di diagnosi prenatale. Nel cap. 3 si analizzano il segnale FHR e le sue caratteristiche, si mette in evidenza inoltre come alterazioni della variaabilità del ritmo cardiaco fetale si possano collegare a stati di sofferenza fetale o a condizioni patologiche. Nel cap. 4 si analizzano le caratteristiche del segnale FHS nel dominio del tempo, le cui principali componenti sono il primo ed il secondo tono cardiaco fetale Il segnale fPCG registrato sulla superficie addominale materna ha tuttavia un’intensità piuttosto bassa ed è fortemente inquinato dal rumore. Nell’elaborazione dei segnali fPCG il primo passo è di solito la stima del segnale FHR. Ai fini del calcolo della FHR dal segnale FHS è necessario ricavare dai suoni cardiaci degli intervalli interbattito affidabili. Questo non è un obiettivo facile da raggiungere, a causa del basso rapporto segnale-rumore dell’FHS e a causa della morfologia variabile dei suoni cardiaci. Nonostante le difficoltà del signal processing, considerando che la variabilità del ritmo cardiaco gioca un ruolo cruciale nella valutazione dello stress fetale, bisogna comunque porre molta attenzione alla sua

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Parole chiave

analisi statistica
diagnosi fetale
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cardiotocografia
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