Použití textilních elektrod pro odhad dechové aktivity z EKG signálu

Abstract

Odhad dechové aktivity ze záznamu srdeční aktivity pomocí elektrokardiografie (EKG) představuje možnost rozšíření informační hodnoty snímaného biosignálu bez nutnosti použití samostatného respiračního senzoru. V souvislosti s rozvojem nositelných systémů a dlouhodobého monitorování je současně důležité ověřit, zda lze pro tento účel využít také textilní elektrody. Cílem diplomové práce bylo ověřit možnost odhadu dechové aktivity z EKG signálu se zaměřením na použití textilních elektrod a porovnat jejich použitelnost s referenčními gelovými elektrodami Ag/AgCl. Součástí práce bylo rovněž vytvoření softwarové aplikace pro zpracování, analýzu a porovnání naměřených signálů. V rámci experimentu byl naměřen vlastní dataset 20 zdravých probandů ve věku 18 až 32 let. EKG bylo snímáno ve II. Einthovenově svodu pomocí referenčních gelových elektrod Ag/AgCl a dvou typů textilních elektrod. Referenční respirace byla měřena pomocí hrudního senzoru. Pro odhad dechové křivky z EKG bylo implementováno a vyhodnoceno devět metod zahrnujících přístupy založené na amplitudové modulaci, empirické modální dekompozici, změně plochy QRS komplexu, respirační sinusové arytmii a analýze sklonu křivky. Hodnocení bylo provedeno pomocí křížové korelace, střední absolutní chyby dechové frekvence a délky apnoe a procentuální chyby počtu nádechů a výdechů. Nejlepších výsledků dosáhly především metoda založená na amplitudové modulaci kmitů R a S a metoda založená na maximálním sestupném sklonu v okolí R kmitu. Metoda SM-RS vykazovala nejvyšší průměrnou korelaci pro všechny tři typy elektrod, konkrétně 0{,}8872 pro Ag/AgCl, 0{,}8566 pro Tex-1 a 0{,}8821 pro Tex-2. Nejnižší střední absolutní chyba dechové frekvence byla zaznamenána u metody SM-RS pro elektrodu Tex-2, kde činila 0{,}2132 dechů/min. Výsledky práce ukazují, že textilní elektrody lze použít pro odhad dechové aktivity z EKG signálu a že při vhodně zvolené metodě zpracování mohou poskytovat výsledky srovnatelné s referenčními gelovými elektrodami Ag/AgCl.

Estimating respiratory activity from a recording of cardiac activity using electrocardiography (ECG) offers the possibility of expanding the informational value of a commonly recorded biosignal without the need for a separate respiratory sensor. In light of the development of wearable systems and long-term monitoring, it is also important to verify whether textile electrodes can be used for this purpose. The aim of this thesis was to verify the possibility of estimating respiratory activity from the ECG signal with a focus on the use of textile electrodes and to compare their usability with reference Ag/AgCl gel electrodes. The thesis also included the development of a software application for processing, analyzing, and comparing the measured signals. As part of the experiment, a proprietary dataset was collected from 20 healthy subjects aged 18 to 32. The ECG was recorded in Einthoven’s II lead using reference Ag/AgCl gel electrodes and two types of textile electrodes. Reference respiration was measured using a chest sensor. To estimate the respiratory curve from the ECG, nine methods were implemented and evaluated, based on amplitude modulation, empirical modal decomposition, changes in the area of the QRS complex, respiratory sinus arrhythmia, and curve slope analysis. The evaluation was performed using cross-correlation, mean absolute error of respiratory rate and apnea duration, and percentage error of the number of inhalations and exhalations. The best results were achieved primarily by the method based on amplitude modulation of the R and S waves and the method based on the maximum downward slope in the vicinity of the R wave. The SM-RS method showed the highest average correlation for all three types of electrodes, specifically 0.8872 for Ag/AgCl, 0.8566 for Tex-1, and 0.8821 for Tex-2. The lowest mean absolute error in respiratory rate was recorded for the SM-RS method with the Tex-2 electrode, where it was 0.2132 breaths/min. The results of this study show that textile electrodes can be used to estimate respiratory activity from the ECG signal and that, with a suitably chosen processing method, they can provide results comparable to those of reference Ag/AgCl gel electrodes.