Digital signal and image processing for autonomic nervous system function evaluation
- Autores: Mohammed El Yaagoubi
- Directores de la Tesis: Younes Jabrane (dir. tes.), Rebeca Goya Esteban (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Rey Juan Carlos ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alfredo Rosado Muñoz (presid.), Julio Ramiro Bargueño (secret.), Enrique venicio carrera (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universidad Rey Juan Carlos
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TESEO hdl.handle.net
- Resumen
Antecedentes El sistema nervioso autónomo regula ciertas funciones automáticas del cuerpo, como los músculos lisos, la digestión, la respiración, los músculos del corazón o ciertas glándulas. De este modo, permite el mantenimiento de la homeostasis interna del cuerpo.
El sistema nervioso autónomo se divide en \textbf{el sistema nervioso simpático} y el sistema nervioso parasimpático, los cuales controlan simpáticamente las acciones antagónicas más frecuentes a través de diferentes neurotransmisores, entre los cuales encontramos la norepinefrina y la adrenalina (catecolaminas) a nivel simpático, mientras que a nivel parasimpático encontramos la acetilcolina. Por otro lado, el sistema nervioso entérico regula el sistema digestivo, así como las actividades motoras y secretoras.
Estos tres sistemas gestionan la actividad de muchos órganos, tales como actividad cardíaca y vasos sanguíneos, pulmones, tracto digestivo, vejiga, dilatación o contracción de la pupila del ojo, entre muchos otros.
El reciente auge de la ingeniería biomédica reside en buena parte en el uso de las técnicas de procesamiento digital de señales e imágenes médicas con el objetivo de buscar nuevas herramientas y soluciones en numerosos ámbitos. En esta Tesis se han seleccionado dos problemas específicos de ingeniería biomédica relacionados con el sistema nervioso autónomo: (1) en cardiología, abordamos el ámbito de la variabilidad de la frecuencia cardíaca (HRV, del inglés Heart Rate Variabillity) y la prevención de muerte cardíaca súbita (MCS); (2) en neurología, estudiamos la pigmentación del iris y su relación con las cefaleas en racimo (CH, del inglés Cluster Headache).
Respecto al primer ámbito, la identificación de pacientes con mayor riesgo de MCS se ha estudiado ampliamente durante las últimas décadas y se han propuesto varios índices a partir del análisis del electrocardiograma (ECG) almacenado en registros Holter de 1 día. Los índices basados en la dinámica no lineal de la variabilidad de la HRV han demostrado transmitir información predictiva en términos de factores relacionados con la regulación cardíaca por el sistema nervioso autónomo, y entre ellos, los métodos multiescala tienen como objetivo proporcionar descripciones más completas que las medidas basadas en en escalas individuales. Sin embargo, existe un conocimiento limitado sobre la idoneidad de las mediciones no lineales para caracterizar la dinámica cardíaca en los escenarios actuales de monitoreo a lo largo de un plazo de varios días.
En cuanto al segundo ámbito, la dificultad de diagnóstico de las CH entre las diferentes clases de cefaleas patológicas conlleva a la necesidad de investigar métodos que ayuden al diagnóstico y con ello mejorar la administración de tratamiento específico para las mismas. El ser humano recién nacido tiene un color de iris indeterminado y la coloración del iris se realiza en los primeros meses de vida. El color final es heredado y determina la pigmentación progresiva, que se culmina en los primeros meses de vida por la actividad de las células pigmentadoras (melanóforos). El sistema nervioso simpático ejerce una acción trófica sobre la actividad de los melanóforos. Cuando existe un defecto simpático congénito o adquirido en el periodo neonatal, se produce un déficit de la pigmentación en el iris del lado de la hipofunción simpática. El resultado es la heterocromia, esto es, el individuo tiene un ojo de cada color, típicamente un ojo azul y el otro marrón, siendo el ojo claro el defectuosamente pigmentado. La heterocromia con clara diferencia de color se reconoce fácilmente a simple vista. Sin embargo, si la diferencia es sutil, se precisa de un método sensible para reconocerla.\\ Objetivos El objetivo de esta Tesis es contribuir con técnicas de procesamiento digital emergentes al conocimiento y la evaluación de la función de autorregulación del sistema nervioso autonomo. Según las consideraciones anteriores, la presente Tesis aborda dos objetivos específicos:
O1. Estudiar la información diagnóstica adicional proporcionada por la HRV en escalas de largo plazo disponibles en Holter de monitorización prlongada.
O2. Estudiar la pigmentación del iris con el objetivo de distinguir el color entre los dos ojos de un individuo con cefaleas y con ello ayudar a decidir si padece o no cefaleas en racimo Metodología En el objetivo de la primera línea de investigación, se examinan las propiedades a largo plazo de tres métodos no lineales para la caracterización de HRV, a saber, la Entropía Multiescala (MSE, del inglés Multiscal Entropy), la Irreversibilidad Temporal Multiescala (MTI, del inglés Multiscal Time Irreversibility) y el Espectro Multifractal (MFS, del inglés Multifractal Spectrum). Estos índices fueron seleccionados porque todos ellos han sido diseñados teóricamente para tener en cuenta las múltiples escalas de tiempo inherentes tanto en la fisiológica saludable como en la dinámica cardiaca patológica. Estas mediciones multiescala han sido analizadas hasta el momento en el monitoreo de hasta 24 horas de señales de ECG, correspondientes a aproximadamente 20 escalas de tiempo. Los analizamos en registros Holter de 7 días de dos conjuntos de datos, a saber, pacientes con fibrilación auricular (FA) e insuficiencia cardíaca crónica (ICC), hasta 100 escalas de tiempo, gracias a la monitorización a largo plazo disponible en sistemas actuales de Holter.
En cuanto a la segunda línea, se ha desarrollado un método de cuantificación del color del iris (Iridocolorímetro) que permite detectar diferencias sutiles de pigmentación. Para ello, se han empleado técnicas de aprendizaje estadístico, en concreto basadas en Máquinas de Vectores Soporte, que mediante su probabilidad de error al comparar imágenes en los dos ojos permiten dar una medida cuantitativa sobre las diferencias de coloración en el iris. Se han realizado pruebas sistemáticas sobre una base de datos con imágenes de 25 pacientes, y se han comparado las prestaciones de los diferentes espacios de color.
Resultados En el primer objetivo se destaca que las escalas más largas de los intervalos inter-latido, que están disponibles en el monitoreo a largo plazo, contienen información adicional sobre el estado del paciente. El MSE (MTI) exhibió el sesgo y la varianza más bajos (más elevados) a grandes escalas, mientras que todos los métodos mostraron una descripción consistente de los procesos a gran escala en términos de robustez del índice multiescala, con una sensibilidad a las diferentes dinámicas en las diferentes longitudes. Uno de los resultados más ilustrativos es que estos algoritmos multiescala, aunque probablemente informativos, deberían confiar no sólo en el aumento de la longitud de las señales para su consistencia, sino también en la mejora de su robustez.
Una vez desarrollado el método para detectar diferencias en el color del iris, se testeó en los primeros pacientes diagnosticados de cefalea en racimos proporcionados por el Hospital Universitario Fundación de Alcorcón. En todos los pacientes se demostró que el iris del lado sintomático estaba menos pigmentado que el del lado asintomático. Este hallazgo indica que la hipofunción simpática del lado sintomático es congénita o adquirida en el periodo neonatal que condiciona la lateralización del dolor. Con esto se mejora la detección así como la prescripción de tratamientos específicos para esta patología. En un futuro próximo se pretende aplicar el método a otras cefaleas que cursan con defecto simpático. La iridocolorimetría puede además, aportar claves patogénicas en diversos trastornos que cursan con afectación del sistema nervioso vegetativo.\\ Conclusiones Estos resultados allanan el camino de estas técnicas hacia su uso en escenarios de monitoreo con Holter cardíaco a largo plazo. Los índices basados en la dinámica no lineal de la HRV han mostrado información predictiva en términos de factores relacionados con la regulación cardiaca por el sistema nervioso autónomo, y entre ellos, los métodos multiescala que proporcionan descripciones más completas que las medidas basadas en una única escala.
Se ha desarrollado un método de cuantificación del color de los iris (iridocolorímetro) que permite detectar diferencias sutiles de pigmentación. Los ensayos preliminares de aplicación clínica demuestran en los pacientes analizados y afectos de cefalea en racimos una hipopigmentación del iris del lado sintomático. Este hallazgo es de importancia patogénica crucial puesto que indica que, en la cefalea en racimos, existe una hipofunción simpática congénita o desarrollada en el periodo neonatal, que sugiere una predisposición genética a sufrir el trastorno y que condiciona la lateralización del dolor.
La iridocolorimetría se perfila como una técnica de interés en el estudio de trastornos que cursan con afectación del sistema simpático.
Las técnicas de procesamiento digital de señal e imagen médica pueden contribuir cada vez más en la evaluación de la función del ANS, detectando deficiencias que se traducen en patologías, mejorar del diagnóstico, y con su ayuda mejorar la prescripción de tratamientos específicos.
